第一节 星云世界
1、原始星云
最先进入我们视线的是星云——那些遍布太空中，幅员辽阔的云雾状天体。
1755年，德国人伊曼努尔·康德在《自然通史和天体理论》一书中提出了“星云假说”，这是宇宙天文学上的一个重要里程碑，使宇宙天体的生成理论，第一次从神学禁锢中解放了出来。它的主要内容是说：构成我们太阳系星球的物质，在最初时都都是微小的基本组成单位，它们充满了整个宇宙空间……其中密度较大的一类颗粒，凭借引力从它周围的天空区域，把密度较小的物质聚集起来，又与所聚集的物质一起聚成密度更大的物质，并如此一直继续下去，直到形成团块天体。与此同时，向着引力中心下落的微粒，由于斥力作用，会使垂直的下落运动变成围绕降落中心的圆周运动，于是天体开始旋转起来，最后形成行星绕太阳运转的圆盘状结构的天体系统。
康德提出自己的看法后，又有了1796年的拉普拉斯假说、1942年的阿尔文假说、1945年的维扎克假说，这些科学家们相继对康德的理论进行了补充和订正，而星云说也逐渐被主流理论界所接受，成为恒星形成的关键理论。
1758年，法国天文学家查尔斯·梅西耶在巡天搜索彗星的观测中，突然发现一个静止在恒星间的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断，这片云雾状斑块可能是一个移动的彗星，但他继续观察了很久后，却发现这片云雾状斑块一动不动，在恒星背景之间没有位置变化，显然又不是彗星。
这是什么天体呢？在没有揭开答案之前，梅西耶将这类发现详细地记录下来。其中第一次发现的金牛座中云雾状斑块被列为第1号不明天体，即是 M1天体（M是梅西耶名字的缩写字母）。
1781年，英国天文学家威廉·赫歇尔经过长期的观察核实后，决定将这些云雾状天体命名为星云。（由于早期望远镜分辨率不够高，河外星系及一些星团看起来呈云雾状，因此把它们也称之为星云。后来哈勃证实这些星云并非星云而是星系，但是人们在习惯上仍沿用了星云的误称，例如大小麦哲伦星云，仙女座大星云等，其实都是和银河系一样的大型星系，和我们现在所讨论的星云有着本质区别。）
那么，星云到底是什么呢？让我们先从最初的原始星云开始说起。
当提到宇宙空间时，印象里似乎是一无所有、黑暗寂静的真空。其实，这不完全对。
恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的“真空”，而是存在着各种各样的稀薄物质，包括星际气体、尘埃和粒子流等。
从宇宙空间的大尺度上来看，这些各种各样的星际物质都是均匀分布的，可是在确定的某个小范围区域内，物质的分布并不均匀，而这微弱的密度差异必然会被引力所放大，使这些稀薄物质缓慢聚集成巨大的纤维状云团，尽管宇宙作为一个整体仍然在膨胀，这其中的一些气云团却变得越来越密集，和周围稀薄的太空相比，象是一朵朵庞大的云团，于是，这些看来像云雾状的天体就被命名为原始星云，它们是宇宙间名副其实的大工厂，将在以后的漫长岁月中制造出许许多多巨大的、炽热的、熊熊燃烧着的恒星。
初始时期的星云主要成份是氢，其次是氦。比没有氢和氦的星际空间密度稍大，让它看起来象是一团云朵，但它的密度非常的低，甚至低到每立方厘米不到100个原子，这比地球实验室里得到的真空还要“真空”。不过由于星云的体积十分庞大，动辄就有几十上百光年的范围，导致了星云的质量很大，引力也非常大。
这些原始星云一开始，并不含有任何比氦元素重的金属（天文学上把比氦重的元素统称为金属，和化学概念中的金属不同），也就是这些无金属星云轻易制造出了体型庞大的原始第一代恒星。
在这里，我们还有必要了解一下天文学上关于星族的概念。
星族只有三种，分别是第一星族、第二星族、第三星族。
第三星族是宇宙中最为古老的第一代恒星，诞生于大爆炸后不久的原始星云中，是不含金属的恒星，体型庞大，寿命极其短暂——必定短于一百万年。因为它没有足够的碳、氧或氮的金属核心，核反应速度不足以产生足够能量来支撑庞大身躯，也就无法对抗引力坍缩而很快自我毁灭，最终很可能没有来得及发光发热就坍缩成为黑洞或很快爆炸。这种恒星在宇宙中早已不再形成，要观察它就必须在极端遥远的可见宇宙的边界搜寻，而在如此遥远的距离上辨认出第一代恒星，即使对尚未升空的韦伯望远镜来说，也是一件非常艰巨的任务。关于它们的描述目前还只有理论依据，没有任何实际上的观测成果。
第二星族是宇宙中相当年老的恒星，这类恒星比第一代恒星诞生的稍晚一些，只是体积小的多，才能够一直存活至今，它仅仅含有少量的、自己合成出来的金属元素，少的无法构成行星，更没有行星在周围环绕。
第一星族则是宇宙中的大多数恒星，是一大批非常年轻的恒星，比如我们的太阳就是一颗富含重元素的第一星族星，是上一代恒星（第二星族或者第三星族星）爆炸后的残骸所再次聚拢而成，富含的重元素全部来自上代恒星内部的核反应熔炉，那些我们佩戴的金项链、金戒指，就全部都是在上代恒星内部的熔炉中制造而成。
亿万年过去后，我们现在已经很难观测到原始星云了，绝大部分都演变成了星系和星团，更多的则是受到死亡恒星的爆炸“污染”，成分被大大改变，让我们无法确认是不是第一代原始星云。
星云和恒星一样，在宇宙中无处不在，目前可以观测到的却只有两大类，一类是弥漫星云，无时无刻都在制造着新的恒星，它们代表了宇宙恒星的诞生地，另外一类代表了恒星的死亡。包括行星状星云和超新星遗迹，都是恒星即将死亡或者死亡后留下的残骸和墓地，所以，星云既是恒星的摇篮，又是恒星的墓地。
2、恒星的摇篮
恒星的摇篮，也即是恒星的制造工厂，这种星云在天文学上被称为弥漫星云，广袤稀薄而无固定形状，没有明显的边界，常常呈现为不规则的形状，犹如天空中的一片片云彩，地球上的我们只有用望远镜才能观测到。
弥漫星云来自于星际物质的重新组合，体积都比较庞大，范围往往达到几十光年甚至上百光年，按照发光与否又分为亮星云和暗星云。
图：2010年4月，为庆祝哈勃升空20周年，美国宇航局发布船底座弥漫星云的一部分哈勃照片。
版权：NASA, ESA, and M.Livio and the Hubble 20th Anniversary Team(STScl)
亮星云是因为弥漫星云中存在有年轻的恒星，这些恒星发出强烈辐射把周围气体电离开来，或者反射附近的恒星而让星云整体发出可见光。比如猎户座大星云，巨蛇座天鹰星云，礁湖星云，鹰嘴星云，马蹄星云，三叶星云，玫瑰星云等。
暗星云表现为在较亮恒星或星云背景上的暗黑剪影，这些巨大的暗星云中没有明亮恒星，它们挡住了后面发光天体的光使自己呈现不透明的黑暗状态。著名的暗星云如猎户座马头星云，南十字座的煤袋星云，蛇夫座的蛇幢星云等。
图：2001年4月，为庆祝哈勃升空11周年，美国宇航局公布哈勃照片——猎户座马头星云（很难观测到的暗星云）局部照片。它旁边没有恒星照亮，也没有紫外辐射使它发光，它仅仅只是遮住了一个亮星云发出的光，使我们能看到它的轮廓——一个马头的形状，因此这个星云又称为马头星云，它是个典型的暗星云。
版权：NASA, JPL , NOAO, ESA, STSCI and the Hubble Heritige Team(哈勃遗产小组)
不管是亮星云还是暗星云，这些宇宙托儿所中每时每刻都在制造着新的恒星，我们将在以后章节去仔细看看它是如何制造恒星的，又是如何猛然间星暴（一下制造出千百颗恒星）的。
3、死亡的墓地
除了上述的弥漫星云之外，宇宙中还有行星状星云，它们是恒星濒临死亡或者死亡后的遗迹，这类星云让我们的宇宙变的不那么单调，而是五彩缤纷，辉煌美丽，尽管是一种死亡的美丽。
1764年，法国天文学家查尔斯·梅西耶发现位于狐狸座的哑铃星云（M27），这是第一个被发现的行星状星云，后来，天王星的发现者、英国天文学家威廉·赫歇尔在当时的望远镜技术下，感觉它很象是一颗较大的行星，因而把它命名为行星状星云。随着望远镜技术的发展，我们现在已经知道这种星云和行星没有任何联系，仅仅是一大片云雾状星云天体，但是这个不准确的名称——“行星状星云”却一直沿用下来。
我们的太阳是一颗很普通的恒星，在宇宙中不算是大质量恒星。那些比太阳质量大许多倍的恒星在演化末期将爆炸成超新星，但是对于中等质量和低质量的恒星来说，它们终将发展成为行星状星云。
这些必定成为行星状星云的恒星，一生中绝大部分时间都在核心进行氢核聚变反应，忙着产生能量来保持自身的稳定。但是当恒星用尽了氢核燃料之后，恒星的外壳就支撑不住自身的质量，于是恒星的核心不得不收缩升温，温度升高又导致了恒星外壳的剧烈膨胀，当温度达到1亿度时，核心的那些早已聚变出来的氦核将开始聚变成为更重的碳和氧，这个核反应阻止了核心的收缩升温，但是氦的核反应对温度极端敏感，只要温度略有上升，就会迅猛加速核反应，继续合成更重的元素，释放出更多能量，进一步使外壳向外膨胀，于是恒星的气体外壳在不断收缩、膨胀之后，终于连同自己合成的部分重元素被抛入太空中形成彩色的物质层，随着越来越多的外壳被抛离恒星，行星状星云便诞生了。
在银河系中，平均每年都有一个新的行星状星云诞生。自18世纪以来，天文学家已经观测了大约1500个行星状星云的图像，并对它们进行了编目分类。另外，可能还有大约1万个行星状星云隐藏在银河系稠密的尘埃云后面。
行星状星云有着千奇百怪的形状，大多对称分布，拥有五彩缤纷的气体云，但是它们的寿命很短，一个典型的行星状星云诞生后，抛射出来的气体会以每小时数千万公里的速度向外漂移，随着中央恒星的核聚变反应停止，温度逐渐冷却，当温度低至不足以释放出足够的紫外线让气体发光，行星状星云将变得不可见，漂出来的物质有的成为新恒星和行星的原料，有的则干脆飘进了星际空间中流浪，去组成其他的天体。这时候，也可以认为它是慢慢消散在黑暗中了，而且这个过程很短，往往只能持续1万年左右的时间，对于宇宙中漫长的时间概念来说，只是极为短暂的一刹那。
大爆炸无法制造出比氦元素更重的元素，初生宇宙的空间中根本没有重元素，更没有什么碎石、金属颗粒之类，原始星云成分都是氢和氦这些气体，而恒星经由核聚变一步步产生的重元素，那些极大比例的碳、氮和氧，还有硫、铁甚至金银，都只能通过行星状星云扩散到太空和星际物质混在一起，丰富空间中的金属含量，让这之后诞生的第二代恒星一开始就拥有比较多的重元素，物质才有可能聚拢成地球这样的固体行星。所以说行星状星云的寿命虽短，却扮演着承上启下的重要角色，没有它就无法形成地球这样的固体行星，生命更是无从谈起。
一般而言，行星状星云是对称且几乎是球形的，但是还是存在着各种各样的形状和非常复杂的形式，甚至还有长方形的星云。这些复杂形式的成因有的可能是中心恒星是双星所造成的，也有的可能是行星扰乱了恒星形成星云时的物质喷流。其结果就是造成大约10%的行星状星云有着强大的偶极性，和少数的不对称性。
2009年，摄影师唐-高曼博士使用澳大利亚天文台拍摄到一个“宇宙泡泡”，位于大犬座内的S308星，距离我们大约5200光年，它的中心是达到太阳质量20倍的沃尔夫·拉叶恒星，在星云中央附近发出蓝色的明亮光。该恒星被认为正处于一个短暂的爆前阶段，他膨胀的外壳强力吹去了附近的物质，用了7万年时间吹出一个直径60光年的巨大“泡泡”。当然，它最终必然爆炸成一颗超新星，这个泡泡也会变成行星状星云。
环状星云可能是天空中最著名的环状天体了。这个外观单纯且优雅的行星状星云，大小约为3光年，距离我们700光年远，它中央的濒死恒星抛出了自身绝大多数的物质，其中含有丰富的金属元素，以至于形成一圈美丽的红色环状星云。
图：环状星云
版权： NASA, NOAO S, ESA, M Meixner , STScI/T A Rector, NRAO
宇宙中较大的行星状星云都比较暗，而最亮的行星状星云又很小，所以在行星状星云中，狐狸座的哑铃星云既不大，也不亮，可以说是最容易看到的一个，甚至用小型望远镜都可以一下子辨认出来。这是个很美丽的天体，在满布恒星的星空背景中显得很突出，有人说它象两个圆锥顶对顶对接起来的哑铃，因此又被称为哑铃星云。
爱斯基摩星云又名为NGC 2392，它是天文学家威廉·赫歇尔在1787年发现的，由于从地面看去，它像是一颗载着爱斯基摩毛皮兜帽的人头，所以得到了这种昵称。这个濒死的恒星在太空中正在进行最后的疯狂，留给我们一个极其震撼的图像。
图：爱斯基摩星云
版权：NASA, A, Fruchter and the ERO Team (STScI)
在这张“哈勃”拍摄的图片中，爱斯基摩人的皮帽子实际上是由彗星状物体围绕形成的圆环，云气是由一颗很像太阳的恒星在1万年前抛出来的外层气壳，中央星球的赤道附近，是一环浓厚的物质，而在星球的上下四方是以每小时12万公里运行的星球风，将星球四周的物质卷起形成美丽的泡沫。
另一颗非常漂亮的星云位于天龙座，叫做猫眼星云，在北半球的观测者可较易看到。该星云于1786年由威廉·赫歇尔首先发现，它的星云物质是原恒星演化为红巨星阶段时喷出的，物质成分主要为氢和氦，并拥有丰富重元素。但是这个星云特别的地方，在于其结构是星云当中最为复杂的一个，竟然有着绳结、喷柱、弧形等各种形状的结构，让人们至今仍未弄明白其复杂的形成机制，也让它成为一个被科学界最为广泛研究的星云。
图：天龙座猫眼星云
版权：NASA, ESA, Fruchter and the ERO Team (STScI)
科学家使出浑身解数，对猫眼星云作了很多年深入研究，却仍有很多谜题无法解决。
比如说猫眼星云的外层，那好几个相同中心的环状物体，产生时间的差距为数百年，不知道为什么会形成这种差距。又比如猫眼星云中准时抛出同心环的机制也没有理论依据。有人认为星云的中央恒星为一双星系统，一颗恒星吸取另一颗恒星物质的过程形成一吸积盘，并在受方恒星两极射出喷流，这些喷流又与先前射出的物质碰撞，使抛出的物质被扭转成复杂的外形。双星互绕又使这些喷流极不稳定，似乎灯塔般一明一暗，向不同的方向指去。但是这也仅是猜测，没有令人信服的依据。
千奇百怪的行星状星云在宇宙中还有许许多多、各种各样，不胜枚举，我们这里提到的几个都是行星状星云的典型代表，但是这些星云无一例外，都是一颗燃料即将耗尽的恒星所喷发而成，那么燃料彻底耗尽的恒星，会变成什么样子呢？那还会是星云吗？
是的，燃料耗尽的恒星仍然会变成星云，只是，它们有个新的名字叫做“超新星遗迹”，是大质量恒星剧烈爆炸后的产物，也是恒星的第二个墓地，最终的墓地。
4、恒星的第二个墓地
星云除了弥漫星云和行星状星云之外，还有一类是超新星遗迹，但是严格说来，超新星遗迹和行星状星云属于一类性质相同的星云，都是恒星末期的产物，把这两种星云都归入恒星的墓地是完全合适的。
根据现在的认识，超新星爆发事件来源于一颗大质量恒星的死亡爆炸。
对于大质量的恒星，比如质量达到太阳质量的8~20倍的恒星，由于自身质量的巨大，在它们演化的后期，耗尽所有可用的燃料之后，核心元素会被强大引力所挤压，让质子和中子全都紧紧靠拢在一起，形成一颗超致密残骸（质量不够大的恒星核心不会爆炸，只会冰冷黑暗下去，成为宇宙中的一个实心疙瘩），外侧的气体层则以5%的光速抛射出去。当恒星核心的质量达到临界值，爆发时的绝对光度就会超过太阳光度的100亿倍、中心温度达100亿度时，这种爆炸就是超新星爆发。
超新星爆炸后的遗迹，是恒星最终死亡的墓地，象是一大团不断向四周扩散物质的云雾状天体，与行星状星云一样，这类星云的体积也在膨胀之中，最后的结局是趋于消散。
超新星遗迹中最有名的、研究最详细的是金牛座中的蟹状星云。1771年法国天文学家梅西耶所确定的第一号星云，就是金牛座蟹状星云，编号为M1。
图：金牛座蟹状星云 （M1）
版权：NASA, A, Fruchter and the ERO Team (STScI)
金牛座蟹状星云距离地球大约6500光年，气体总质量约为太阳的十分之一，直径六光年，现在还在以每小时4000万公里的速度膨涨着。由于蟹状星云扩张的速度非常快，于是天文学家根据这一速度反过来推算它形成的时间，结果得出一个结论，在900多年前，蟹状星云很可能只有一颗恒星的大小。因此天文学家认为蟹状星云是公元1054年超新星爆发后留下的遗迹。这个年代在西方没有任何超新星爆炸的记录，只有在中国的史料记录中被保存下来。
公元1054年7月4日，宋仁宗至和元年五月二十六日，《宋史·天文志-第九》记载：至和元年五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没。
《宋会要》中记载：初，至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
以上文字的意思是说“宋至和元年五月己丑”（即1054年7月4日）开始，有“客星（超新星）”出现在天关即金牛座附近，星的颜色是赤白。在最初的23天，即使在白昼，其光度如“太白”（即金星）。直至一年多后的“嘉祐元年三月辛未”（即1056年4月5日）才消失不见。在这将近两年的时间里，643天里只要能看到客星，司天监的人员总是坚持不懈地进行观测，他们详细地记录了客星的位置、颜色和亮度变化，令后人敬佩不已。
仙后座A(Cassiopeia A)是300年前仙后座内一颗恒星爆炸后的遗迹。它是银河系内已知的最年轻超新星遗迹。现在该遗迹在以每小时5000万公里的速度向外膨胀中。
这张相片是由美国宇航局钱德拉天文台、哈勃望远镜和史匹哲望远镜拍摄的照片合成出来。史匹哲拍摄的红外线以红色显示，哈勃获得的可见光以黄色显示，而钱德拉捕捉的 X射线以蓝色和绿色显示。
图：仙后座A遗迹(第谷新星)
版权：NASA, JPL-Caltech, O.Krause(Steward Observatory)
弥漫星云是制造恒星的超级工厂，行星状星云是恒星燃尽后的面貌，超新星遗迹则是恒星爆炸后的遗迹，所以不可否认，星云和恒星之间存在着必然的“血缘”关系，两者密不可分，恒星抛出的气体成为星云的部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下，星云和恒星互相转化，生生不息。
下面我们就先来看看星云中时如何诞生恒星的。