星雲──星際間的聚散輪迴

星雲是塵埃和氣體組成,數千或數十億年後,可能煙消雲散,或聚集成如太陽般的恆星。恆星死亡前,噴發出的物質也有機會再聚集成另一團星雲,繼續孕育下一代恆星,形成生生不息的「輪迴」。

文/詹佩菁、楊嘉慧
審稿/中央大學天文研究所教授 陳文屏

拿著望遠鏡對準晴朗的夜空,除了星星,

還會發現一些不會散去的星際雲氣。1920 年代之前,天文學家把這些雲霧狀的天體統稱為「星雲」,而隨著天文望遠鏡的解析度提高,才知道這些像雲一般的天體其實有星雲、星團及星系之分。「星系」是上億顆恆星及眾多雲氣共同組成的大集合體;「星團」是數十顆以上的恆星聚集在同一區域,為組成星系的成員之一;而現在定義的「星雲」是指星系中,因重力而聚集的塵埃及氣體。星雲的組成主要是氫,其餘還有氦、氮、氧、碳等元素,其所含物質的質量可達太陽的數百萬倍之多,涵蓋範圍往往有數十至數百光年之大。

各種絢麗的雲氣
依照外觀的不同,星雲分成發射星雲、反射星雲和黑暗星雲。「發射星雲」是組成的氣體被鄰近恆星放出的紫外光、X 射線等高能射線照射,激發出光子,若被激發的是氫原子,便放出紅光,氧原子則為綠光。位在獵戶座的火鳥星雲就因為大量氫原子被激發而呈現紅色。

「反射星雲」是反射鄰近恆星的光,通常呈藍色,因為藍光波長短,散射角度較大,容易被散射而進入我們眼中,這和天空為什麼是藍色的道理相同。位在金牛座方向的昴宿星團(又稱七姐妺星團)周圍的藍色雲氣,就是反射星雲。

「黑暗星雲」既不發光也不反射光線,是一團密度高、足以擋住後方發光星體光芒的星雲。中央大學天文研究所教授陳文屏表示,在星際間一立方公分的體積裡,平均只有一個分子或原子,但在黑暗星雲中則有上萬個分子、原子和離子。由於密度高,紫外光、X射線均無法穿透,因此黑暗星雲中心維持在非常低溫的狀態,溫度大約 10K(-263℃)左右。這類星雲的存在,可以透過星雲背後的恆星或明亮的星雲部份被遮住而顯現出來,像著名的馬頭星雲即在發射星雲襯托下,呈現出馬頭形狀。

星雲的重生與輪迴
不同種星雲有不同的命運,發射星雲和反射星雲的密度疏、溫度高,雲氣會漸漸擴散而消失不見;密度大、溫度低的黑暗星雲卻非常有機會使氣體及塵埃聚集,最後因自身重力而持續縮小,等密度達到一定程度,其中央部位會開始發熱,一旦溫度達約數百萬K,就會點燃核反應,形成發光的恆星。恆星形成過程中,周遭雲氣也會受影響而各自藉由重力結合塵埃及氣體,形成行星及衛星,例如太陽系裡的行星及衛星就是在太陽形成過程中,影響周圍雲氣而一起生成。

星雲的質量若夠大,就有機會收縮形成一群恆星成為星團。但單一氣團聚集的塵埃及氣體若質量小於太陽的 1/100,收縮後溫度就不會高到足以點燃核反應,便無法形成恆星,例如主要由氣體構成的木星,其質量只有太陽的 1/1000,本身雖然因重力收縮而發熱,但核心溫度不高,無法形成恆星。

恆星死亡前會噴發出大量物質,這些物質回歸星際後,可能聚集成為另一個星雲,繼續孕育下一代恆星,形成恆星與星雲之間生生不息的「輪迴」。

爆炸中誕生的星雲
隨著恆星衰老,外層物質的重力與內部核心的氣體熱壓力無法達到平衡,導致星體結構開始不穩定,一下膨脹、一下收縮,最後發生爆炸,以「噴發」或「超新星爆炸」的形式結束生命。通常內部核心質量(進行核反應的部份)小於 1.4 個太陽質量的恆星,外層物質會向外噴發形成「行星狀星雲」(與行星無關,因為透過望遠鏡觀察,其外觀和圓盤面行星相像,故以此命名),內部核心則壓縮成亮度較原恆星低、體積約與地球相當的「白矮星」,我們的太陽預計 50 億年後也會噴發出行星狀星雲。

恆星死亡前,若內部核心質量大於 1.4 個太陽質量,巨大能量就會使恆星本身炸碎四散,並突然變得很亮,形成「超新星爆炸」,最終外圍物質消散形成「超新星殘骸」,內部核心則可能壓縮形成密度比白矮星大的「中子星」或黑洞,例如M1蟹狀星雲即屬於超新星殘骸。

中央大學天文研究所教授陳文屏表示,行星狀星雲和超新星殘骸當中的白矮星或中子星都會發射出紫外光、X 射線等,使星雲內的氣體受激發而放出光芒,因此都屬於發射星雲。這兩類星雲的溫度很高,內部雲氣會向外擴散,大約數千年後,就消散在宇宙中了。

延伸閱讀
〈恆星嘉年華〉,《科學人》2006年2月號
《天文大圖鑑》,羅伯特.伯納姆著,閣林出版
《天文知識入門》,謝至愷著,共和媒體出版
高一課本《基礎地球科學》
高三課本《地球科學》下冊

【科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】

 

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