宇宙中星雲：它們到底是什麼？

小深

宇宙中星雲：它們到底是什麼？恆星、星團、星雲、星系…它們有啥區別？宇宙天體分類全解析

当人们仰望星空时，都会看到夜空中常见的发光天体：恒星、行星，甚至星系。偶尔，在地球上，我们也会遇到一些其他天体——就像行星一样——它们反射太阳光，让我们的肉眼或望远镜都能看到：比如卫星、小行星或彗星。然而，如果我们用望远镜观察宇宙，无论是在我们自己的银河系内，还是在更远的地方，深入浩瀚的深空，我们很可能会遇到一类新的天体：它们并非致密坚固，而是暗淡、延展且难以分辨。天文学家将这些天体称为星云。
长期以来，我们只能猜测这些天体究竟是什么。随着望远镜的日益先进，其中一些天体最终被证实不过是星团而已。其他一些天体则被证实是远远超出银河系范围的星系：“岛宇宙”，充满了数千甚至数万亿颗恒星。这些天体在望远镜下出现后，有时被俗称为“暗淡的绒毛”，它们不仅固定不动，而且是由一系列天体物理现象形成的。随着时间的推移，我们开始对它们进行分类，识别和理解它们的属性，并将它们置于浩瀚宇宙的背景下。。




很久以前，天文学家只能用肉眼来探索和记录宇宙。最初，已知的天体只有四种：
太阳、月亮、恒星和行星。
行星的一个显著特征是，它们不像恒星那样闪烁，而且相对于天空中的其他天体，它们并非保持固定，而是似乎会随着夜晚的流逝而移动，或者说改变位置。然而，早在望远镜发明之前，人们就已经可以在漆黑的夜空中辨认出延伸的天体。仙女座星系，如今被认为是距离我们最近的大型星系，可以说是第一个，很快其他星系也加入了进来：大麦哲伦星云、小麦哲伦星云以及三角座星云。这四个星云最终都被证实是星系。
随着望远镜的出现，出现了更多的星云。有些星云呈现出螺旋形或椭圆形：这是宇宙中最常见的星系形状。然而，星系并非“星云状”，因为它们是由气体构成的。相反，它们本身由大量恒星组成，就像我们银河系内的星团一样。尽管许多星系内部都有星云状区域——由气体、尘埃甚至电离物质组成——但总体而言，大多数星系在本质上只是看起来像星云。实际上，它们是自发光的天体，主要由恒星驱动。
然而，许多具有星云外观的天体实际上是由弥漫的、扩散的气体组成的。实际上，星云本质上是弥漫的，而不仅仅是表面上弥漫的。虽然有些星系确实有扩散的辐射，使其在本质上真正具有“星云状”的性质，但它们只是宇宙中所有星系的一小部分。
所有星云都有一个共同点：它们由非恒星物质构成，或者说不仅仅是恒星，它们吸收、反射或发射光。事实上，这些星云对应着天文学家最初发现的三大类星云：吸收星云、反射星云和发射星云。




如果气态物质密度高、温度低，且位于背景光源前方，则很可能会形成吸收星云，通常称为暗星云。这类星云遍布宇宙，其中不乏著名的例子。在漆黑无月的夜晚，仰望银河系平面，你不仅会看到一大片明亮的恒星照亮视野，还会看到一些看似黑暗不透明的物质云，阻挡了星光到达你的眼睛。这些确实是暗吸收星云：高密度的气体分子云，可见光无法穿透。
鹰状星云中著名的创生柱就是暗星云。在恒星形成区以及银河系晕中发现的各种博克球状体都是暗星云的例子。马头星云，一团由不透明物质组成的暗云，在明亮的气体背景前形成轮廓，也是一个暗星云。一般来说，如果一团冰冷致密的物质云位于一个原本发光的光源前方，就会形成暗星云。
然而，在太空中发现的一些气态物质云吸收光线的能力并不强，但反射光线的能力却很强。在很多情况下，暗星云和反射星云的主要区别仅仅在于方向和位置：反射星云并非位于发光物质光源的正前方（这是暗星云的典型结构），而是位于原本明亮发光的光源（例如炽热、年轻的蓝色恒星）附近的气体云。如果该气体云位于光源后方不远处，通常会形成反射星云；如果它位于光源前方很远的地方，通常会形成暗星云（或吸收星云）。
虽然任何明亮的光源都能照亮气体云并将其变成反射星云，但宇宙中最亮、最热、最明亮的恒星往往是寿命短暂、质量巨大的O型和B型恒星：它们一定是最近才诞生的，诞生于过去几百万年内发生的恒星形成事件中。（尽管红巨星也能形成反射星云。）火焰星云是一个著名的反射星云，三裂星云的蓝色部分也是一个反射星云，而昴星团（它本身是银河系中一个著名的、相对年轻的星团）内的尘埃星云会反射其附近恒星的光。任何时候，只要中性物质云反射其附近恒星的光，就会形成反射星云。
最后，还有所谓的发射星云。与反射星云或暗星云不同，发射星云并非由低温甚至冰冷的中性物质云构成，而是温度极高：温度高到内部原子和分子中的电子会被激发到激发态甚至电离，从而产生发射线——这些发射线主要来自氢等常见元素——电子与原子核复合和/或沿不同能级向下发射。
与反射星云不同，发射星云通常呈红色或粉红色，这是因为氢——迄今为止宇宙中最常见的元素，占所有原子数量的约92%——在从n=3 能级退激发到n=2能级时会发射出一条特征性的“红线”。这通常表示温度极高：温度约为10000K或更高。在一些罕见但特殊的情况下，发射星云会呈现绿色：这对应于电子与双电离氧原子复合，并在不同能级间消激，这种现象需要约50000K或更高的温度。
发射星云在活跃的恒星形成区域随处可见，其中氢原子呈现的红色占绝大多数。事实上，有时中性、冷气体和热、电离气体会同时存在，从而导致在同一空间区域内同时存在发射星云、反射星云，甚至吸收星云（即暗星云）。
然而，星云也存在其他类型：这些星云并非源自恒星形成区域（或未来可能形成恒星的区域）常见的松散、弥散、延展的气体云。相反，一颗不起眼的恒星可以通过各种各样的方式形成星云。
恒星如何产生延展辐射的一个例子来自一类被称为赫比格-哈罗天体的天体。这些年轻的大质量恒星通常会产生恒星外流：从年轻恒星（或恒星系统）本身流出的准直气体喷出物。最初，这种现象仅存在于少数已知天体中，但最近，得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜的强大观测能力，仅在猎户座星云中就发现了数十个这样的天体。
构成这些赫比格-哈罗天体的年轻恒星并不总是单独存在，无论是孤立的恒星还是聚集在一起的恒星群，它们通常都是明亮的年轻恒星，位于一个延展弥散的气体复合体中。由于尚不清楚的原因，来自这些赫比格-哈罗天体的喷流和外流通常会排列成行，即使在同一气体复合体中的不同恒星系统中也是如此。赫比格-哈罗天体将这些物质排放回星际介质，是宇宙中尘埃产生的重要来源，这些喷射出的物质后来会变成暗星云、反射星云或发射星云。
星云也可能形成——尽管其规模通常远小于典型的恒星形成区域——源于单个恒星的形成、单颗或双颗恒星的演化以及各类恒星的消亡。单个恒星的初始形成通常是由一团质量足够大的气体云收缩而产生的。有时，气体云的质量足够低，最终只会形成一颗位于中心的恒星；有时，气体云的质量足够大且延伸足够远，它不仅会向中心收缩，还会碎裂，在坍缩形成它们的分子云中形成大量质量可能差异很大的恒星。
当这种收缩发生时，气体会升温。即使聚集了足够多的物质以形成新恒星，这也是一个相当缓慢的过程，一颗原恒星通常需要数千万年才能坍缩到足以在其核心引发核聚变的程度。在此阶段，这些原恒星在原恒星星云中形成，而原恒星星云本身就是一种延伸天体。随着这些天体核心发生聚变，并演化成成熟的恒星，围绕恒星的盘面也随之演化：从环绕恒星的盘面（恒星周围的盘面）到原行星盘（行星在其中形成的盘面），再到碎片盘（即使在行星形成停止后仍会持续存在的尘埃物质盘面）。所有这些都是星云和星云区域的进一步例子。
另一方面，你也可以从恒星的演化和死亡中创造出星云和星云区域。对于“低质量”恒星，即诞生时物质质量不超过8到10个太阳质量的恒星，恒星演化是一个缓慢而渐进的过程，会形成许多引人入胜的星云阶段。
当恒星燃烧完其核心的氢燃料时，它最终会开始耗尽。当这种情况发生时，恒星的核心会收缩，导致其升温并增长。最终，恒星核心中的氢燃料会完全耗尽，只留下围绕恒星中心的一层氢聚变“壳”。随着恒星中心部分收缩升温，恒星的外层会膨胀。当核心升温到足以引发氦聚变时，恒星的最外层开始被喷射，或者说被轻轻地“吹”到恒星周围的星际介质中。随着氦聚变的持续，越来越多的物质被抛射出来，并继续“悬浮”在恒星周围的环境中。
随着时间的推移，明亮的中心恒星开始照亮抛射物，形成一个延伸的物体，称为行星状星云。（一些老一辈的天文学家仍然称之为原行星云，但近几十年来，为了避免与前面描述的原行星盘现象混淆，这个术语已经不再流行。）然后，当恒星真正到达其生命周期的终点时，残留的外层会被完全抛射出去，然后随着核心的中心残余物收缩成为一颗炽热的白矮星，外层物质会被加热并电离。一个真正的行星状星云就此形成：据我们所知，这是类太阳恒星的最终状态。
此外，还有一些星云是由恒星灾变形成的。例如，当一颗质量足够大的恒星到达其生命周期的尽头时，它不会只是轻轻地吹掉外层，同时其核心收缩并升温。相反，当恒星核心在其氦储备耗尽后收缩时，它会继续融合更重的元素：例如，碳变成氖，氖变成氧，氧变成硅，硅变成铁。当硅聚变完成后，内核内爆，导致外层发生失控的聚变反应，从而引发超新星事件。虽然核心可能会留下中子星或黑洞，但恒星的剩余部分会变成一种独特的星云：超新星残骸。
其他恒星灾变也可能产生恒星残骸。例如，千新星是在两颗中子星碰撞时产生的。它们不仅会产生伽马射线暴，还会留下延伸的残骸，这些残骸不仅富含重元素，而且被认为是产生自然界中最重元素的主要机制。潮汐瓦解事件是由质量较大的物体在过于靠近黑洞时被撕裂而引起的。这些事件也会产生延伸的、星云状的残骸。最后，白矮星碰撞——另一种产生超新星的机制——也能产生超新星残骸，尽管在这种情况下，不会残留中子星、黑洞或任何类型的坍缩恒星体。
银河系中发现的大多数星云是由气态物质聚集而成，这些物质被来自银河系内部或外部的致密能量源照射或加热，而它们的行为却类似于银河卷云，被银河系所有恒星的总能量照亮。这些总通量星云极其暗淡；它们无法通过望远镜清晰可见，需要数小时的长时间曝光观测才能被探测到。
然而，这些星云是真实存在的，因为长时间曝光观测表明，它们的成分主要由尘埃颗粒、氢原子、一氧化碳分子以及其他化合物组成。由于尚未完全理解的原因，这些总通量星云在南北天极附近尤为明显，其中一个美丽的星云围绕着北极星：北极星。
尽管星云的形状、颜色、温度和成分千差万别，来源也千差万别，但它们都有一个共同点：物质呈扩散、弥散、气态分布。它们不仅仅是恒星和恒星的集合；它们也远不止是致密的自发光天体。它们是云，可热可冷，可中性可电离，可反射可吸收，甚至可辐射。
值得深思的是，尽管我们所知的星云类型各异，但这份清单可能并非详尽无遗。许多星系——尤其是在早期宇宙中——恒星形成速度极快，以至于整个星系本身都表现得像一个发射星云：这种特征通常出现在恒星形成区域，在星暴事件期间，整个星系都会出现这种特征。活跃的黑洞会产生气体、喷流和外流，未来或许会被认为是独立的星云。在星系最边缘的气晕，即星系周围介质中发现的气晕，本身也可能是独立的星云。尽管我们对宇宙的理解已经取得了非凡的进展，但很可能还有一类新型的、延展的、弥散的星云状天体等待着我们去发现。。

宇宙诞生于138亿年前，而可观测宇宙的直径高达930亿光年。宇宙不仅大，天体数量和种类也非常多。让我们来简单了解一下宇宙中的天体及其分类。天体是对宇宙中所有聚集态以及弥散态物质的总称。前者的主要形态是球状星体，也就是星球，比如恒星、行星等都是星球；而后者则是弥漫在宇宙中的星际物质，包括星际气体和星际尘埃。
1，恒星，
在万有引力的作用下，弥散态的物质经历漫长的变化，并孕育出恒星。恒星是宇宙天体结构的基础。恒星质量有大有小。在主序星阶段，恒星可分为红矮星、黄矮星等类型，比如比邻星就是一颗红矮星，而太阳则是一颗黄矮星。需要注意，褐矮星并不是恒星，而是介于类木行星与恒星之间的一种天体；还有白矮星是小质量恒星演化到生命末期后所形成的一种天体。
一般来说，质量越大的恒星其表面温度越高。这是因为质量越大，其内部的核反应越剧烈，过大的质量也导致它的寿命比较短。像红矮星这样的恒星，寿命可高达上千亿年；而像太阳这样的黄矮星，寿命只有100亿年左右；至于比太阳质量更大的恒星，有的恒星的寿命连一亿年都不到。此外，有些天生质量较大的恒星被称作蓝巨星、蓝超巨星。至于红巨星和红超巨星，它们则是恒星在离开主序星阶段后，在生命末期所需要经历的阶段，比如太阳在几十年后就会演变成红巨星，最后变成白矮星。其中有些质量超大的恒星，在生命演化末期会发生超新星爆发，并诞生出中子星或者黑洞。有些恒星有自己独立的小天地，以太阳系为例，其内除了太阳这颗恒星，还拥有行星、矮行星 、小行星、彗星等天体。此外，不少行星还拥有数量众多的卫星。
2，星团和星云，
恒星聚而成团，由数量超过10颗以上且相互之间存在联系的恒星构成的集团被称为星团，一些较大的星团往往包含数万乃至数十万颗恒星，其主要类型包括疏散星团、球状星团，例如银河系内的昴星团就是一个疏散星团。此外，稀薄的气体或者尘埃还会构成延展型天体——星云，比如猎户座星云、礁湖星云、蟹状星云等。某些星云是孕育恒星的场所，诸多新生恒星都诞生于星云之中，比如位于老鹰星云中的创生之柱，就是一个恒星孕育中心。
星云根据形态可划分为弥漫星云、行星状星云、超新星遗迹、双极星云等类型；而根据发光性质可分为发射星云、反射星云和暗星云。星团和星云都是星系的一部分，我们目前观测到的星团或者星云，很多都位于银河系内。有些星系或者星团起初被叫做星云，是因为几个世纪以前，天文学家用的望远镜性能不佳，观测到的遥远天体，往往模糊不清呈云雾状，当时天文学家因此就将之统称为星云。虽然后来天文学家将星云、星团、星系进行了区分，但仍然有一部分名称被沿用了下来，比如仙女座星云、大小麦哲伦星云，它们其实都是星系。
3，星系和星系团，
星系是大量恒星的聚合体。一个星系内的恒星数量少则上千万、多则数千亿，比如银河系内的恒星数量就在1000亿到4000亿个左右。
星系根据形态可划分为旋涡星系、椭圆星系、棒旋星系、透镜状星系和不规则星系。而一些个头较小的星系也被叫做矮星系、卫星星系，比如大、小麦哲伦星云就是位于银河系附近的卫星星系。
星系之间也会构成一个疏散的结构，星系数量超过100个的叫做星系团，少于100个的则叫作星系群。太阳系所在的银河系就位于一个叫作本星系群的星系群中。
若干个星系团和星系群还会形成更大尺度的结构，被叫作超星系团。本星系群所在的超星系团就被叫作室女座超星系团（或者叫作本超星系团）。不过根据新的发现，现在室女座超星系团被认为是拉尼亚凯亚超星系团的一部分。超星系团再往上一级，就涉及整个宇宙的框架结构了。根据天文望远镜在最近几十年内积累的扫描数据，整个宇宙呈大尺度纤维状结构，在这个巨大的结构中存在一些巨大的宇宙空洞，那里究竟有什么？科学家们也不知道。受宇宙加速膨胀的影响，现在宇宙中的星系很多都成了宇宙孤岛。而根据科学家的估计，整个可观测宇宙中的星系数量至少在1000亿个以上。