天文學情人節：心形的天體

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作者：Rishabh Nakra

翻譯：付哲

校對：牧夫天文校對組

後期：董騰晨 庫特莉亞芙卡 李子琦

毛明遠

心髒星雲

如果有人告訴你愛情就在空氣中，你可以給他們看這張照片，然後說：“別管空氣了，愛情就在宇宙中。”這個巨大的結構叫做心髒星雲。心髒星雲是宇宙中最為美麗的天體之一，它表明，大自然比起科學家或者工程師更像是一名藝術家。但是，心髒星雲究竟是什麼？它又是怎樣形成的？為什麼顏色是紅色？這片宇宙區域又發生了什麼呢？太多的問題等待回答，但是別擔心，你不需要成為天文學專家就能理解這一切。

如何發現這片星雲的？

心髒星雲，是在200多年前(1787年)，由天文學家威廉·赫歇爾(William Herschel)發現的。威廉·赫歇爾是人類歷史上最有影響力的天文學家之一。在1774年，他組裝了自己的巨型望遠鏡，開始觀察夜空中的天體。後來，他發現了太陽系中的第七個行星——天王星。

在1781年11月3日晚間，赫歇爾把自己的望遠鏡對准了仙後座，那裏是一個“W”形的星座，坐落於銀河系最為明亮的區域中。經過一系列觀測後，赫歇爾發現天空中有一塊模糊的地方。他將這些星雲編入了自己的目錄中，裏面包含了超過5000個天體。

由於赫歇爾的望遠鏡分辨能力不足，他無法從中獲得更多細節。幾個世紀以來，隨著技術進步，科學家們對這片星雲進行了更為細致的研究，並且拍攝了更清晰的圖片。這片星雲盡管有著官方的編號IC 1805，但在科學界卻以心髒星雲的名稱而流行，因為其形狀與主流媒體中描繪的人類心髒十分相似。

心髒星雲有多大？

一光年大約是9.46萬億公裏，而心髒星雲的直徑是330光年。這個角度下，如果你乘坐最快的宇宙飛船，能夠以每秒68公裏的速度飛行，需要花130萬年才能橫跨這個星雲。

同樣，心髒星雲位於7200光年之外。即便是星雲發出的光也需要7200年才能到達我們這裏。這意味著，我們今天看到的星雲圖像，正是7200年之前的樣子！在我們探討為什麼星雲看起來是紅色的之前，讓我們先了解一些天文學上的星雲基本概念。

星雲是什麼？

在天文學中，星雲是一片由灰塵與氣體構成的區域，主要由周期表的前兩種元素——氫和氦組成。裏面也可能存在微量的其他元素。宇宙中的星雲有很多種類，但它們大致都和恒星的形成與消亡有關。

蟹狀星雲，超新星遺跡

圖片來源：NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

當一顆類太陽恒星到達壽命終結時，就會拋出冷卻外層。這就是所謂的行星狀星雲。然而，這個名字是一種被習慣化的誤稱，因為它和行星毫無關系。此外，當一顆即將終結的恒星產生巨大爆炸後，留下的就是超新星遺跡。這兩種類型的星雲都與恒星的消亡有關。

然而，我們銀河系中的大多數星雲都是恒星的搖籃。它們富含氫和氦，而這兩種元素是恒星形成的主要成分。這些形成恒星的星雲中，有些會發光或反射光線，而其他的則表現為天空中的黑暗斑塊，掩蓋住後面的背景光線。心髒星雲是一個發射星雲，新的恒星往往在發射星雲中誕生。那麼為什麼這個星雲的顏色是紅色的呢？答案在於氫原子。但在這之前，讓我們了解一個與恒星有關的小概念。

根據歐空局最近的估計，宇宙中存在超過1億億億（10^24）顆恒星! 天體物理學家根據恒星的表面溫度，將其大致分為7大類。O型和B型恒星是最熱的，其表面溫度達到25,000開爾文。緊隨其後的是A、F、G、K和M型恒星，表面溫度不斷下降。我們的太陽是一顆G型恒星，溫度大約為6,000開爾文。注意，從O型到M型，恒星的表面顏色也在不斷變化。隨著這種顏色的變化，這些恒星所發出的輻射類型也在改變。

紅光的秘密

O型和B型的年輕恒星會釋放出大量的紫外線輻射。這些高能量紫外線光子使星雲中的中性氫原子電離。電離意味著氫原子核和圍繞它的電子分開。氫原子核與電子會重新組合，但這次是以激發狀態來組合。

由電子躍遷產生的氫光譜

被捕獲的電子按照氫原子的量子態逐級下降，發出輻射或光譜線。電子最重要的躍遷之一是從第三能級到第二能級或巴爾默系列的第一條線（圖中最小的綠線）。這種躍遷產生了一條波長為656.28納米的光譜線。

這條光譜線被稱為H-α線——天文學家使用的最重要光譜線之一。如果你看一下電磁波譜，就能發現這個波長位於紅色一端。這就是為什麼大多數發射星雲的顏色是紅色的。在地球上，人們檢測到的波長不需要正好是656.28納米。它可能會有紅移或藍移，這取決於星雲的相對運動。從計算出的紅移來看，我們也可以確定星雲離開我們的速度是多少。

H-α線就是656.28納米處的明亮紅線

就心髒星雲而言，它的光芒來自一個由年輕的超大質量恒星組成的疏散星團，其名為Melotte 15。這個星團中的恒星是超大質量的O型和B型恒星，且位於星雲中心附近，其中的一些恒星比太陽大50倍。從宇宙的時間尺度來看，它們很年輕，大約在50萬年前形成。觀測結果顯示，該區域曾經還有一個發射無線電的微類星體，但這個天體在幾百萬年前就離開了這片區域。

有趣的鄰居

心髒星雲有一個有趣的鄰居。就在這個星雲的左邊，有另一片氣體雲，叫做靈魂星雲。心髒星雲和靈魂星雲是七個年輕恒星團的所在地。在這張圖片中，你可以看到有兩個背景星系。這些星系在光學圖像中很難發現，但在紅外觀測中卻變得清晰可見。其中一個是橢圓星系，另一個是透鏡星系。著名的仙女座星系也位於心髒星雲的附近。

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『天文濕刻』 牧夫出品

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宇宙有浪漫的一面

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