互动科普

什么是行星状星云？

相当于太阳质量0.8～8倍的恒星，在内部核聚变反应将氢燃尽之后，就会膨胀成为红色的巨大星体，即“红巨星”。红巨星处于恒星的晚年时期，在很短时间内，反复地收缩、膨胀，同时，包裹在它外侧的大量物质也不断地向周围扩散。

不久之后，在扩散的尘埃和气体中间就只剩下恒星核心的部分了，即温度很高、密度很大的“白矮星”。白矮星已经不再会发生核聚变了，虽然温度下降是它的命运，但它会因自身收缩而暂时升温。

白矮星会被最初释放的尘埃物质笼罩着，当这层尘埃物质消退后，白矮星的温度将高达30000℃，并释放出强烈紫外线。扩散到周围的气体会被这种紫外线电离，然后不同元素会发出其特有颜色的光芒。这就是“行星状星云”。

质量大于太阳质量8倍以上的恒星，会以轰轰烈烈的“超新星爆发”来终结自己的生命。但因多数恒星质量较小，所以多数恒星将以形成行星状星云的白矮星形态度过晚年。我们所居住的银河系里，目前已知存在有约2300个行星状星云。它们的大小为一光年到数光年不等。

形成“泡”层结构的样子

多数行星状星云会形成“泡”层结构。这是受到了恒星表面刮起的两种星风（气体流）的影响而造成的。

当白矮星的温度到达10000℃时，光的能量使周围的气体加速，并高速向外喷射（白矮星高速风)。其速度可以达到每秒数千千米。这种高速的星风，与它在红巨星时代以速度为每秒5～10千米缓慢释放的气体（红巨星低速风）结合在一起，并向前推进。研究者认为，正是由这种组合气体形成的高密度部分，成就了行星状星云的分层结构。

千差万别的形态

行星状星云之所以被称为“行星状”，是因为以前人们在使用望远镜观测时，它们看上去比一般的星星更模糊且范围较大，与行星的形态类似。

现在，我们已经知道了行星状星云有着千姿百态的形状。不仅有单纯的圆形，还有其他各种复杂的形状，每一种都个性十足、独具魅力。行星状星云，可谓是“宇宙中最美丽的天体”了。

原始行星状星云为“双极状”

图像所显示的，是从红巨星变为行星状星云过程中的一个阶段，“原始行星状星云”(也有学者认为，只有当中央恒星周围没有尘埃时，才能称为“原始行星状星云”)。这时，中央恒星的外层物质大量释放的阶段已结束，但释放出的气体尚未电离。

气体本身不会发光，但可以观测到被中央恒星加温后的尘埃所发出的红外线及透过尘埃散射的可见光。这时，白矮星的温度将达到10000℃，并开始喷射出高速星风。

我们知道，形式多样的行星状星云是由原始行星状星云演变而来的，所以原始行星状星云是一种很重要的天体。在银河系中，只发现了100个左右的原始行星状星云。不可思议的是，其中多数呈现出一种星星像两极方向延伸的“双极状”形态。产生这种现象的原因目前还不得而知。

最早发现的原始行星状星云—卵形星云（CRL 2688）

这是最早发现的原始行星状星云（帕洛马山天文台，1975年)。可以看到覆盖着恒星的尘埃组成的圆盘，另外球状的尘埃看上去像同心圆。

为什么会呈现出各种各样的形状？

正如上文所介绍的那样，实际上，行星状星云有着丰富多样的形状。那么，它们那多样的形状是怎样形成的呢？目前尚不知详细情况。但是，存在如下几种可能性。

首先，如前面所介绍的，两种类型的星风之间的相互作用，是形成星云形状的一个原因（成形原因1）。星风在恒星周围对称喷出的时候，可以形成环形或椭圆形的行星状星云。

行星状星云呈现出不规则的形状时，可能是因为高速星风和低速星风的释放方向不一致的缘故。大量的气体和尘埃沿星体的赤道方向以低速风形式释放出，而垂直于赤道面的方向上，只有高速风喷出（成形原因2）。目前还不知道为什么会出现这种星风喷出方向不一致的现象，可能是受到了中央恒星为双星或中央恒星磁场的影响。

在双极状结构的星云（向着两个方向形成突起）的形成过程中，起作用的应该是其中央恒星周围的圆盘（由非常浓厚的气体和尘埃组成），和它自身由某种作用产生的具有方向性的高速风。另外，星风断断续续地释放以及喷流的方向因“进动”而改变，这些都是使星云形成各种复杂构造的原因。

除了气体和尘埃的分布外，还有其他一些能够影响行星状星云形状的要素。最单纯的一种，就是行星状星云朝向地球的角度不同，呈现出的形状也不同（成形原因3）。

行星状星云如果不是呈球对称的话，那么从不同角度就能看到不同的形状。下图为从不同角度观测到的筒状结构的行星状星云示例。

就算气体分布情况相同，看到的星云形状也还与发光程度强弱、光线能传播到多远等诸多因素有关。随着光强度的变化，被电离的元素也会发生变化。另外，对于周围气体扩散的范围来说，中央恒星光越强，能看到的星云结构范围就越大，不过这也说明我们只能看到扩散到远处的气体的一部分。这种状况与行星状星云的进化阶段有关。

行星状星云中的光芒消失的方式，根据中心恒星白矮星的质量不同有两种方式。白矮星质量较重的情况下，它会迅速降温变暗，气体则会在还没广泛扩散之前就看不到了。而在其质量较轻的情况下，白矮星发光时间长，气体扩散到远方变得稀薄，最终“云消雾散”。

正因有上述各种条件制约，我们才能看到如此多姿多彩的行星状星云。

我们的太阳将在约50亿年后迎来它生命的终点。到那时地球很有可能会被膨胀的太阳所吞噬，而在那之后太阳究竟会变成怎样的行星状星云呢？不妨对那样的情景进行一番畅想。 

（本文发表于《科学世界》2013年第12期）