每日天文——来自濒死恒星的气体云

M27是宇宙中的一个行星状星云。

这个美丽对称的星际气体云位于狐狸座，直径超过25光年，距离地球1200光年。

这张令人印象深刻的彩色合成图突出了中心区域的细节。

人类最早观察到它，是在18世纪，法国的天文学家查尔斯·梅西耶在天空中寻找彗星时，把他遇到的能够肯定不是彗星的天体列了一张清单，并做了详细的记录。

如果你在小型望远镜中观察它，会发现它是一个圆的、像行星的天体。

M27 是在非彗星名单上排名第27位天体。直到21世纪的天文学家将它定义为行星状星云， M27 才正式有了自己的名字 。

所以虽然它叫行星状星云，但它并也不是行星。

M27 是一个 气体发射星云 ，是由一个像太阳一样的恒星爆炸喷射而来的，更多的部分是来自于恒星的外层。垂死恒星发出的强烈但不可见的紫外线激发了原子，产生了我们能够看见的这种辉光。

行星状星云： 是恒星演化至老年的红巨星末期，气体壳层向外膨胀并被电离，形成扩大中的发射星云。“行星状星云”这个名称源自1780年代的天文学家威廉·赫歇尔，但并不是个适当的名字，只因为当他通过望远镜观察时，这些天体呈现类似于行星的圆盘状，但又是雾濛濛的云气，因此命名，所以说不是非常恰当。

彗星： 是由冰构成的太阳系小天体，当其朝向太阳接近时，会被加热并且开始释气，展示出可见的大气层，也就是彗发，有时也会有彗尾。这些现象是由太阳辐射和太阳风共同对彗核作用造成的。彗核是由松散的冰、尘埃、和小岩石构成的，大小数百米至数十公里不等，但大部分都不会超过16公里。

作者：文/虞子期

纵然宇宙处在时刻变化之中，但人类的求知欲望和 探索 能力也在与日俱增。虽然，在这个神秘而庞大的宇宙世界里，还有很多科学家们至今仍无法解答的疑惑。但也通过时间和侦探，对地球之外的世界有所了解，比如行星系统的生和死。行星和恒星是如何形成的？我们又是怎么来到这里？以及在一颗恒星的生命周期中，会经历什么？当行星死亡之时，又会遭遇怎样的境遇？

即将诞生的恒星和行星，都始于一团难以想象的“冷云”，它包含了能萌发全新世界的种子。氢气和氦气分子因为重力而减速，并聚集在一起；铁、硅酸盐和富含碳的材料混合形成了灰尘，当尘埃粒子旋入这些物质的中心结，会将一些气体的能量传送回太空，云会因此变得更冷。伴随着更多的尘埃和气体被吸入其中，云的“口袋”也变得更厚，此时，一个明亮的“热球”正在它的中心开始逐渐形成，并且在这场重力和气体、磁场的压力对抗中，重力正在取得属于自己的胜利。

当“婴儿”时期的星星形成后，星系数十亿颗恒星的引力拖拽，可能加速并震动了天然气体，又或是两个云的相互撞击导致了某些气体的聚结，那些变成扁平状结构的向内螺旋的材料，就成为了吸积盘。当然，也可能是因为一颗巨大恒星的爆炸，才导致了形成的恒星云被强烈的物质风吹入，并造成了新生星星的死亡。在同一个过程中，很可能会发在同一个分子云中的几十个、甚至是几千个地方，用通俗的语言可以表达为：分子云就像地球云，雨滴就好比是星星，当来自这些云层的气体坍塌碎裂之后，在0到10万年的时间里，会形成大批的“婴儿”星星，这也是为什么星星经常会形成一个较大的群体。

在银河系和其他大多数的星系中，最可能形成的恒星类型，大小是做不到自我维持的。红矮星的质量是太阳质量的十三分之一到二分之一，代表了银河系四分之三的恒星，因为其燃烧缓慢，所以它们的寿命将比现在的宇宙更长。相对更罕见的类太阳恒星数量，仍然占到星系的8%。一颗年轻的恒星被称为“原恒星”，直到它可以通过氢聚变反应为自身供电。要成为一个真正的恒星，它必须自发地融合氢原子形成氦，以释放出巨大的能量。稳定恒星核心，使其停止收缩的整个过程，可能需要大约4千万年。而最终形成的是什么样的恒星？则取决于其可用的材料。

新生的恒星，可以从周围旋转的气体和尘埃中获取自己需要的养分，然后射出猛烈的磁性加速物质流，只要没有另一个恒星系统和它足够近，并发生相互作用，那么在整个生命周期中，同样的旋转都可以保留在该系统中。在整个系统中，主要是由氢气和氦气组成，并且，气体比气体中的灰尘多100倍左右。尘埃，对于形成含有碳和铁等元素的行星而言至关重要。当时间过去大约10万年之后，云会开始变得稀薄，此时就可以显示出两种完全不同的结构。它们是新生恒星，以及蓬松的尘埃盘和弥散气体。我们还可以通过螺旋和间隙，以判断该磁盘中是否由行星形成。

从行星“婴儿”时期一开始的螺旋形状，到行星变大后在磁盘中划出的差距，科学家们可以通过寻找磁盘中的特征，了解可能形成行星的地方。比如，ALMA所研究的神秘系统TW Hydrae。这个已知的距离最接近的恒星，仍然有一个距离它175光年的富含气体的原行星盘；在过去几年中，通过对HL Tau恒星的研究，也揭示了这个磁盘中的间隙，使它看起来像环，可能是“婴儿”行星的足迹，当时的这一发现，也成了该领域的一次重大飞跃。

在磁盘中较冷的地方，冰的微小碎片会附着上灰尘，肮脏的雪球可以聚集成巨大的行星核心。在这些较冷的区域，允许气体分子减速到足以被吸引到行星上的程度。在更加温暖的圆盘中，岩石行星在冰冷的恒星形成后形成 ，并且没有大量的气体供行星阻碍。科学家们曾捕获了年轻行星PDS 70b的罕见图像，其500万年的 历史 ，仅占地球年龄的01％多一点，它比木星更大，并且仍然可以增长。在其圆盘上，通过引力形成了一个很大的间隙，比我们太阳系中任何行星的温度高。

现在我们所看到的太阳系统，只是那些在初始过程中幸存下来的东西。在我们 历史 的最初几百万年里，可能有早期的行星实际迁移并被太阳吸收。气体的存在，有助于固体材料颗粒粘在一起。灰尘团从鹅卵石般大小，变成更大的岩石，在这个过程中有的分崩离析，但其的一部分却坚持了下来。这些是行星的基石，有时也被称为“星子”。“婴儿之星”仍在抛出极热的风，被质子和中性氦原子的带正电粒子所控制。行星的形成不到磁盘质量的1％，而一旦行星形成，它们就不会一直停留在原地，并且，每个行星系统最终都会像进入中年。

如果将我们所在的太阳系生命周期比喻为人的一生，那么现在的太阳系正当中年。在大约一亿到十亿年的时间里，行星会倾向于在它们的轨道上稳定下来，而恒星也不会爆发太多。但是，通过科学家们对太阳系外的行星的研究发现，以七个地球大小的岩石行星而闻名的一颗恒星TRAPPIST-1，形成于54亿至98亿年前的某个地方，大小为太阳的9％，是一颗极微弱的M矮星，但它比我们的太阳系更安全。并且，它的所有行星都非常靠近，位于水星轨道内。

在我们的太阳系中，已无法找到大小与木星相同或更大、轨道距离主星更近，并且经历灼热高温的热木星。但是，我们原本可能有一个被太阳吞噬的热木星，但很多星球会在其他甚至更老的系统中幸存下来。比如，科学家预计年龄为55亿年的HAT-P-65b和预估年龄为47亿年的HAT-P-66b。在围绕其他恒星的其他外来行星中，包括达到地球质量10倍的大型岩石行星 “超级地球” ，以及被称为“迷你海王星”的小型气体行星。在我们太阳系的时代，现在看上去是相对平静的，但随着恒星逐渐变老，最终可能会消灭它的一些行星。

从现在开始，大约60亿年后，我们的太阳会进入红巨星阶段，核心逐渐耗尽燃料，随着氢气融合减缓，核心将再次收缩。越来越小的核心会加热，然后启动另一轮核反应，以将氦气融入到较重的元素。较热的核心使氢熔化在核心周围材料的“壳”中，恒星深处产生的额外热量，将导致其外层气体膨胀。在强烈的阵阵爆发中，垂死的恒星抛出外层的物质，红巨星阶段的结束，通常也是恒星生命中相对更暴力的时期。

当红巨星失去质量时，恒星在其行星上的引力会变得更弱，因此它们的轨道将会扩展，行星的轨道也可能变得不稳定。在我们自己的太阳系中，太阳会膨胀得太多，以至于它会融化、蒸发，并吞噬一些内部岩石行星，太阳将会甩掉大约一半的质量。由此，外行星的轨道也会向外漂移，并在此处沉降两倍，当接近燃料燃烧寿命的终点，太阳将变得更加明亮，且变得更大，它的直径会变得很大，以至于可以从幸存星球的表面填满天空。那么，太阳和星星会像火焰爆炸般的一样死亡，还是会因为小小的呜咽而崩溃？

当前红巨星的核心耗尽了所有的燃料，并将所有的气体排出之后，剩下的密集恒星煤渣被称为白矮星。白矮星被认为是“死”了，因为它内部的原子不再融合，无法产生恒星能量，但为它太热了，所以仍然呈现出“闪耀”的状态，最终，它会冷却并从视野中消失。宇宙中几乎每颗恒星最终都会经历，从红巨星到白矮星的过渡。我们的太阳，将从现在开始的大约80亿年后到来。尽管极低质量的恒星，需要比现在的宇宙时代更长的时间才能到达。当然，行星也可以出生在超新星。

如果一颗恒星非常巨大，它可能会沿着不同的路径，扩展成一颗超巨星，并最终爆炸成超新星，来自超新星的冲击波可以触发新恒星的形成，在死亡之后创造新的生命。虽然，在超巨星周围，到目前为止没有发现有一天会爆炸的行星。但这并不意味着他们不在那里，虽然超巨星是非常罕见的，但它的耀眼程度远远超过任何轨道物体。超巨星包含多层不同种类的原子融合，能够产生巨大的能量输出，只是我们的技术可能还不够先进，所以暂时无法找到它们的行星，超级巨星可能稍纵即逝，但他们的爆炸在这个事件中起着重要作用。

一些垂死恒星通过壮丽的行星星云将气体外壳和尘埃抛向宇宙，这些灰烬通过恒星风传播，富含许多不同的化学元素，包括碳。在发表在《自然天文》期刊上的一项研究表明，这些恒星揭示了碳在银河系和其它星系的起源。约翰·霍普金斯大学物理与天文学系副研究科学家杰弗里·卡明斯说：这些发现对恒星如何以及何时产生碳提出了新的严格限制。

同时这些气体尘埃也进入了50亿年前形成太阳及其地球等行星系统的原材料中。作为碳基生命，碳是地球生命必不可少的元素，银河系中的起源仍然存在天体物理学家争论：一些支持低质量恒星被恒星风吹走富碳的包层变成白矮星，另一些则认为碳合成的主要地点是大质量恒星风，这些恒星最终爆炸为超新星。利用凯克天文台观测收集的数据，天文学家分析了属于银河系疏散星团的白矮星。

疏散星团是由多达几千颗恒星通过相互引力聚集在一起的星团。根据这一分析，研究小组测量了白矮星的质量，并利用恒星演化理论，计算了它们诞生时的质量。诞生时的质量与最终白矮星质量之间的联系，被称为初始-最终质量关系，这是天体物理学中的一个基本结论，它包含了恒星的整个生命周期。以前研究总是发现一种不断增长的线性关系：恒星诞生时质量越大，白矮星死亡时留下的质量就越大。

但当研究人员计算初始-最终质量关系时发现，来自这组疏散星系团的白矮星质量比天体物理学家之前认为的要大，这一发现打破了其他研究总是发现的线性趋势。换句话说，大约10亿年前在银河系诞生的恒星，并没有像人们通常认为的那样产生大约060-065太阳质量的白矮星，但它们在死亡时留下了更多质量约为07-075太阳质量的残骸。这一趋势中的这种怪异现象，解释了低质量恒星中的碳是如何进入银河系的。

在恒星生命的最后阶段，质量是太阳两倍的恒星在内部产生了新的碳原子，并将这些碳原子输送到表面，最后恒星风将碳扩散到周围的星际环境中。研究的恒星模型表明，富含碳的外层剥离速度足够慢，足以让这些恒星的中心核心，即未来的白矮星，在质量上有相当大的增长。研究计算出，恒星必须至少有15倍太阳质量，才能在死亡时将其富含碳的气体壳扩散开来。据帕多瓦大学物理和天文学教授、研究的第一作者Paola Marigo说：

这些发现有助于科学家了解宇宙中星系的属性，通过结合宇宙学和恒星演化理论，研究预计，接近演化末期的明亮富碳恒星，就像这项研究中分析的白矮星祖先一样，目前正在为非常遥远星系发出的光做出贡献。这种光带有新产生的碳特征，通常由来自太空和地球的大型望远镜收集，以探测宇宙结构的演变。因此，这种对恒星中碳是如何合成的新理解，也意味着对来自遥远宇宙的光有了更可靠的解释。

天文学家目前已知的10颗最大的恒星。

参宿四

参宿四在10月到3月的夜空中很容易看到，它是最著名的红色超级巨星。这部分是由于参宿四距地球大约640光年，与名单上的其他恒星相比非常接近。它也是所有星座中最著名的星座之一——猎户座的一部分。已知其半径是太阳的一千倍以上，这颗大质量恒星的半径在950和1200之间太阳半径(天文学家所使用的单位距离来表达恒星的大小等于当前太阳的半径)，预计随时会变成超新星。

大犬座VY

这个红色的超级巨星是所有星系中已知的最大的恒星之一。它的半径估计是太阳半径的1800到2100倍。以这个大小，如果放在我们的太阳系，它将接近土星的轨道。大犬座VY位于大犬座方向，距离地球约3900光年。它是出现在大犬座的众多变星之一。

VV仙王座A

这颗红色超巨星据估计大约是太阳半径的1000倍，目前被认为是银河系中最大的恒星之一。位于仙王座方向的VV仙王座A，距离地球约6000光年，实际上是一个双星系统的一部分，与另一颗较小的蓝星共享。星星名称中的“A”被指定为这对星星中较大的一颗。虽然它们以一种复杂的舞动形式彼此环绕，但还没有发现VV仙王座A的行星。

仙王座

这个位于仙王座的红色超级巨星大约是我们太阳半径的1650倍。它的亮度是太阳的38万倍，也是银河系中最亮的恒星之一。由于其颜色略带红色，人们给它起了个绰号“赫歇尔的石榴石之星”，以纪念1783年观察到它的威廉·赫歇尔爵士，他的阿拉伯名字Erakis也为人所知。

麒麟座V838

这颗红色变星位于麒麟座方向，距离地球约2万光年。它可能比仙王座或VV仙王座A都要大，但是由于它离太阳的距离，以及它的大小在跳动，所以很难确定它的实际大小。在2009年的最后一次爆发之后，它的规模似乎变小了。因此，它的范围通常在380到1970太阳半径之间。哈勃太空望远镜记录了几次尘埃从麒麟座V838移开的情形。

WOH G64

这个红色的超级巨星位于多拉多星座(在南半球的天空中)，大约是太阳半径的1540倍。它实际上位于银河系外的大麦哲伦星云中，这是一个离我们约17万光年远的伴星星系。

WOH G64周围有一个由气体和尘埃组成的厚盘，它可能是在恒星开始垂死挣扎时被驱逐出去的。这颗恒星曾经是太阳质量的25倍以上，但当它快爆炸成超新星时，开始失去质量。天文学家估计它已经失去了足够多的组成物质，足以构成3到9个太阳系。

V354 Cephei

比WOH G64稍小，这个红色的超级巨星是1520太阳半径。仙王座V354距离地球约9000光年，位于仙王座。WOH G64是一个不规则变量，这意味着它的脉动是不规则的。仔细研究这颗恒星的天文学家已经确认它是仙王座OB1恒星群的一部分，仙王座OB1恒星群包含了许多热的大质量恒星，但也有一些更冷的超级巨星，比如这颗。

RW Cephei

这是另一个来自北半球天空中的仙王座的入口。这颗恒星在它自己的邻近区域可能看起来不是那么大，然而，在我们的星系或附近没有多少其他恒星能与它相比。这个红色超级巨星的半径大约是1600太阳半径。如果它位于我们太阳系的中心，而不是太阳，它的外层大气将会延伸到木星的轨道之外。

KY Cygni

虽然KY Cygni至少是太阳半径的1420倍，但一些估计认为它更接近于2850倍太阳半径(尽管它可能更接近较小的估计)。KY天鹅座位于天鹅座，距离地球约5000光年。不幸的是，目前还没有这颗恒星的图像。

KW Sagittarii

这颗红色的超级巨星代表人马座，其半径是太阳的1460倍。射手座距离地球约7800光年。如果它是我们太阳系的主要恒星，它将远远超出火星的轨道。天文学家已经测量出人马座的温度大约在3700 K(开尔文，国际单位制中温度的基本单位，单位符号为K)，这比太阳表面的5778 K要冷得多。