《天文基礎(chǔ)知識》第一章：太陽系與系內(nèi)行星

第四節(jié) 星體分類

一、星云

星云，顧名思義，它是一種“云”，類似地球天空中的“云”。這里的星云指的就是從地球看去，深空中有一片類似地球大氣中的“云”狀物質(zhì)。實(shí)際則在“星”這個字中體現(xiàn)出來，這一片是恒星的誕生區(qū)域。星云是由塵埃、氫、氦和其他電離氣體構(gòu)成的星際云。星云在體積上非常龐大，有些星云的直徑可以達(dá)到數(shù)百光年。密度也要比周圍環(huán)境大得多，但大多數(shù)星云的密度遠(yuǎn)低于地球上產(chǎn)生的真空。在地球上，多數(shù)星云肉眼可見，星云發(fā)出的光的強(qiáng)弱基本由內(nèi)嵌恒星的亮度來決定，而其他的星云則需要通過攝影技術(shù)和后期處理才能展現(xiàn)在人類的面前。

星云在天文學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)十分著名。在銀河系內(nèi)，距離我們約6500光年的地方有一個名為老鷹星云的地帶，鷹狀星云是銀河系的一個恒星誕生區(qū)，約有超過八千顆的恒星。在鷹狀星云的中部，屹立著三根綿延四五萬光年的柱狀星云，因為它的高大威猛和其孕育恒星的能力，人類將它命名為“創(chuàng)生之柱”?！皠?chuàng)生之柱”距離地球約7000光年，因為其距離遙遠(yuǎn)，所以人類現(xiàn)在看到的景象不過是很久之前的畫面。新生恒星會不斷汲取星云，對于創(chuàng)生之柱也是如此，其散發(fā)的強(qiáng)烈輻射以及來自附近的強(qiáng)烈風(fēng)暴會不斷摧毀并加速孕育它們的創(chuàng)生之柱不斷坍塌。根據(jù)人類科學(xué)家判斷，創(chuàng)生之柱或許已經(jīng)被6000年前爆炸的超新星沖擊波摧毀，但只是因為距離遙遠(yuǎn)，所以我們還能看到它生前的畫面。

星云有多種形成機(jī)制，在第一個方面，有些星云是由星際介質(zhì)中的氣體形成的，這種氣體是一種龐大而寬廣的分子云，并且它在星際氣體中需要處于最冷、最密集的相位，可以通過更多擴(kuò)散氣體的冷卻和冷凝而形成。在第二個方面來講，其他的星云是由某些恒星在演化后期形成的物質(zhì)造成的。恒星形成的區(qū)域是一類與巨大分子云相關(guān)的發(fā)射星云。這些形式的分子云在自身重量的作用下崩塌，并開始形成原恒星。在這個部位有極大的可能會產(chǎn)生大質(zhì)量恒星，它們的紫外線輻射會將周圍的氣體電離，使得它們可見于光學(xué)波長下。目前觀測到的恒星形成區(qū)域，來自恒星形成的反饋。大質(zhì)量恒星的超新星爆炸、恒星風(fēng)或大質(zhì)量恒星的紫外線輻射，或者來自小質(zhì)量恒星的流出，都會對星云造成不可挽回的破壞，甚至?xí)斐烧麄€星云的坍塌，摧毀星云的結(jié)構(gòu)。

其他星云生命的結(jié)束則是超新星爆炸的結(jié)果，這是大多數(shù)短暫生命恒星的死亡結(jié)果。還有某些星云會形成行星狀星云，在恒星衰老的過程中，恒星會拋出大量物質(zhì)和能量，隨著年齡的增長，在恒星拋出足夠多的能量后，它的溫度會逐漸升高，它所發(fā)出的紫外線輻射會電離周圍它所拋棄的星云。進(jìn)而對孕育它的星云造成不可避免的傷害，同時，當(dāng)一個恒星的生命接近最后階段時，它會逐漸生成一個行星狀星云，最后伴隨著溫度和亮度的減弱，慢慢消失在宇宙中。

二、恒星

恒星是由發(fā)光等離子體——主要是氫、氦和微量的較重元素——構(gòu)成的巨型球體。對于恒星，我們并不陌生，太陽即為離我們地球最近的恒星。我們接受著太陽帶給我們的光和熱，但也在時時刻刻堤防著太陽發(fā)射的高速粒子流。夜晚能用肉眼看到的恒星幾乎都在銀河系內(nèi)，但我們看到的恒星只是銀河系的一小部分。

人類對于恒星的觀測和研究從很早很早就已經(jīng)開始了，最古老的，標(biāo)有精確日期的星圖出現(xiàn)在公元前1534年的古埃及。古代的天文學(xué)家都相信恒星被固定在永恒的天球上，并且永遠(yuǎn)不會變化。于是中國古代的天文學(xué)家將天空中的恒星劃分為多個星宿，將他們命名，并將國家和皇帝的命運(yùn)賦予了恒星群，繪上了神話的色彩：北方星空，恒星大體上可以分為三個垣：北天極附近的紫薇垣、東方星空的太微垣和北方星空的天市垣。每一個垣里有很多恒星，他們依據(jù)古人的想象中分擔(dān)不同的“職務(wù)”，紫微垣是天帝居住的地方，太微垣是天帝處理政務(wù)的地方，天市垣是進(jìn)行交易的地方。每一個垣里面都有各種恒星組成的事物或者官員。恒星的變換代表著一個國家的興起和滅亡。當(dāng)然這種說法具有很大的不確定性，國家的命運(yùn)并不會和距離我們非常遙遠(yuǎn)的恒星有關(guān)。

現(xiàn)代人類對于恒星的觀測主要運(yùn)用來自恒星的電磁波輻射，因為恒星的距離過于遙遠(yuǎn)，所以人類并不能用傳統(tǒng)的觀測方法來進(jìn)行觀測，除了電磁波以外，引力波、宇宙線等也能捕捉遠(yuǎn)處恒星的蛛絲馬跡，但是這些觀測技術(shù)相對來說沒有電磁波觀測成熟，所以目前人類還是主要運(yùn)用電磁波輻射來觀測恒星。

恒星明亮的程度被稱作視亮度。天文學(xué)家把亮度分成若干等級，這就是視星等。恒星的視星等并不能反映恒星真正的光度，因為恒星距離地球遠(yuǎn)近不同。地球上看，太陽是最亮的恒星，但是織女星的亮度是太陽的六萬倍，由于離地球十分遙遠(yuǎn)，它的視星等只有0等，比太陽暗多了。天文學(xué)家為了比較恒星真實(shí)的發(fā)光差距，定義了絕對星等：恒星在10秒差距處的視星等。這種定義方法能夠很好地解決恒星距離地球遠(yuǎn)近的不同。在地球上確定恒星的位置，需要確定其在天球上的坐標(biāo)和距地球距離。確定恒星在天球上的坐標(biāo)，通常需要規(guī)定天球坐標(biāo)系。一般有地平坐標(biāo)系、赤道坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系和銀道坐標(biāo)系（銀道坐標(biāo)系，是以太陽為中心，并且以銀河系明顯排列群星的平面為基準(zhǔn)的天球坐標(biāo)系系統(tǒng)，它的“赤道”是銀河平面。相似于地理坐標(biāo)，銀道坐標(biāo)系的位置也有經(jīng)度和緯度）等。所有天球坐標(biāo)系都規(guī)定了基本軸、基本點(diǎn)和度量方向范圍?，F(xiàn)在有了大規(guī)模巡天數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得恒星的天球坐標(biāo)，測量恒星距離。測量恒星距離有幾種方法：三角視差法、分光視差法、造父視差法、標(biāo)準(zhǔn)燭光法等。

在恒星的性質(zhì)上，可將恒星分為：穩(wěn)定星和不穩(wěn)定星。穩(wěn)定星又可分為主序星、雙星和多星。主序星是恒星一生中處于穩(wěn)定階段的恒星。恒星在這個階段停留的時間占整個壽命的90%以上，相當(dāng)于人類的青壯年階段。主序星內(nèi)部的化學(xué)成分基本相同，能源機(jī)制也基本類似。雙星是兩顆恒星，它們圍繞公共質(zhì)心相互繞轉(zhuǎn)?？雌饋硎且活w恒星的，實(shí)際上有可能是雙星。雙星也可分為食雙星、分光雙星、密近雙星和聚星；不穩(wěn)定星就是恒星的各種物理參數(shù)發(fā)生變化。變化的形式可能是周期性的脈動，也可能是不規(guī)則的迸發(fā)或者爆炸。不穩(wěn)定星分為脈動變星、特殊脈動變星和耀星。

三、行星

在行星的定義上，起初人類并沒有給予太多的關(guān)注，隨著人類觀測技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)了眾多和地球相近的星體，進(jìn)而開始了對于行星定義的探索。在傳統(tǒng)的定義上，行星通常指自身不發(fā)光，環(huán)繞著恒星的天體。其公轉(zhuǎn)方向常與所繞恒星的自轉(zhuǎn)方向相同。一般來說行星需要具有一定質(zhì)量，行星的質(zhì)量要足夠大，且近似于圓球狀，自身不能像恒星那樣發(fā)生核聚變反應(yīng)。隨著人類對于行星的細(xì)致觀測和專業(yè)的劃分，行星有了新的定義：必須是圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的天體，質(zhì)量必須足夠大，來克服固體引力以達(dá)到流體靜力平衡的形狀（近于球體），必須清除軌道附近區(qū)域，公轉(zhuǎn)軌道范圍內(nèi)不能有比它更大的天體。

由于人類在星際探索方面的有限，這里我們只講太陽系內(nèi)行星，重點(diǎn)以太陽系內(nèi)八大行星為例。八大行星是指太陽系的八個大行星，按照離太陽的距離從近到遠(yuǎn)，它們依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。八大行星自轉(zhuǎn)方向多數(shù)也和公轉(zhuǎn)方向一致。只有金星和天王星兩個例外。金星自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反，天王星則是與公轉(zhuǎn)軌道呈97°角旋轉(zhuǎn)。與2006年之前提到的九大行星概念不同，在2006年8月24日于布拉格舉行的第26屆國際天文學(xué)聯(lián)會中通過的第5號決議中，冥王星被劃分為矮行星，除名于八大行星之外。由此現(xiàn)今只有八大行星的說法。

在八大行星的分類方面，可以根據(jù)其具體特征分為類地行星和類木行星。類地行星中含有水星、金星、地球和火星。類地行星的結(jié)構(gòu)大致相同，都類似地球具有巖石陸地，所以被稱為類地行星。類木行星包含有木星、土星、天王星和海王星。這些行星都是類似木星的氣體行星，體積比類地行星大很多。由于木星、土星與天王星、海王星有很多地方不同，所以類木行星又分為兩類：1、巨行星，指的就是木星和土星;2、遠(yuǎn)日行星，指的是天王星和海王星。

四、小行星

小行星為微型行星的一種，但體積和質(zhì)量比行星小得多。大部分的小行星都分布于內(nèi)太陽系，因此“小行星”一詞更常被用于專指內(nèi)太陽系非彗星的小天體。從1801年意大利天文學(xué)家皮亞齊發(fā)現(xiàn)第一顆小行星起，小行星的發(fā)現(xiàn)至今只有200多年的歷史。但從1991年開始到現(xiàn)在，人類無人探測器對于小行星的實(shí)踐探索從未停止過腳步。在發(fā)現(xiàn)小行星初，天文學(xué)家以為小行星是一顆在火星和木星之間的行星破裂而成的，但小行星帶內(nèi)的所有小行星的全部質(zhì)量比月球的質(zhì)量還要小，所以該理論并沒有產(chǎn)生很大的影響。而今天天文學(xué)家認(rèn)為小行星是太陽系形成過程中沒有形成行星的殘留物質(zhì)。

隨著科技的發(fā)展，人類分析技術(shù)大幅度提高，通過光譜分析所得到的資料可以證明小行星的表面組成很不一樣。按其光譜的特性小行星被分為以下十三類:

C-型小行星：這種小行星占所有小行星的75%，因此是數(shù)量最多的小行星。C-型小行星的表面含碳，反照率非常低，只有0.05左右。一般認(rèn)為C-型小行星的構(gòu)成與碳質(zhì)球粒隕石（一種石隕石）的構(gòu)成一樣。一般C-型小行星多分布于小行星帶的外層。

S-型小行星：這種小行星占所有小行星的17%，是數(shù)量第二多的小行星。S-型小行星一般分布于小行星帶的內(nèi)層。S-型小行星的反照率比較高，在0.15到0.25之間。它們的構(gòu)成與普通球粒隕石類似。這類隕石一般由硅化物組成。

M-型小行星：剩下的小行星中大多數(shù)屬于這一類。這些小行星可能是過去比較大的小行星的金屬核。它們的反照率與S-型小行星的類似。它們的構(gòu)成可能與鎳-鐵隕石類似。

E-型小行星：這類小行星的表面主要由頑火輝石構(gòu)成，它們的反照率比較高，一般在0.4以上。它們的構(gòu)成可能與頑火輝石球粒隕石（另一類石隕石）相似。

V-型小行星：這類非常稀有的小行星的組成與S-型小行星差不多，唯一的不同是它們含有比較多的輝石。天文學(xué)家懷疑這類小行星是從灶神星的上層硅化物中分離出來的。灶神星的表面有一個非常大的環(huán)形山，可能在它形成的過程中V-型小行星誕生了。地球上偶爾會找到一種十分罕見的石隕石，HED-非球粒隕石，它們的組成可能與V-型小行星相似，它們可能也來自灶神星。

G-型小行星：它們可以被看做是C-型小行星的一種。它們的光譜非常類似，但在紫外線部分G-型小行星有不同的吸收線。

B-型小行星：它們與C-型小行星和G-型小行星相似，但紫外線的光譜不同。

F-型小行星：也是C-型小行星的一種。它們在紫外線部分的光譜不同，而且缺乏水的吸收線。

P-型小行星：這類小行星的反照率非常低，而且其光譜主要在紅色部分。它們可能是由含碳的硅化物組成的。它們一般分布在小行星帶的極外層。

D-型小行星：這類小行星與P-型小行星類似，反照率非常低，光譜偏紅。

R-型小行星：這類小行星與V-型小行星類似，它們的光譜說明它們含較多的輝石和橄欖石。

A-型小行星：這類小行星含很多橄欖石，它們，主要分布在小行星帶的內(nèi)層。

T-型小行星：這類小行星也分布在小行星帶的內(nèi)層。它們的光譜比較紅暗，但與P-型小行星和R-型小行星不同。

在2017年10月19日，對于探究天外來客“奧陌陌”是小行星還是彗星，甚至是天外來客的身份上，同樣運(yùn)用了光譜分析的方法。當(dāng)時人們對于此“天外來客”進(jìn)行了很多的假設(shè)以及數(shù)據(jù)分析，在無數(shù)次試驗后得到的結(jié)果中，不管是D型小行星、彗星核還是海王星外天體，它們持續(xù)上升的反射光譜一直被認(rèn)為是由于富含有機(jī)物的表層受到各種輻射的結(jié)果。從實(shí)驗現(xiàn)象的分析上來看，小行星和彗星的界限并不是那么明顯，因此，“奧陌陌”的身份依舊是個未解之謎。要找到更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果，人類需要在小行星的研究上投入更多的精力。