夜空中的宝藏：猎户座大星云

作者|王思亮

审核|董晨晖

编辑|赵经远

哈勃空间望远镜拍摄的猎户座大星云（图源：NASA）

当我们望向冬季夜空中显眼的猎户座，会注意到连成一线的三颗星构成的“腰带”，而在“腰带”之下的“佩剑”处，有一个著名的深空奇观，那就是猎户座大星云，它在梅西叶星表中的编号为M42及与之邻近的M43。猎户座大星云在黑暗的环境下肉眼可以辨认，如果用小型望远镜对准那里，第一眼看到的可能是外观类似飞鸟的弥漫光斑。对于拥有众多深空奇观诸如马头星云、火焰星云、跑步人星云、巴纳德环等天体的猎户座，显眼的猎户座大星云脱颖而出，成为天文爱好者（无论是新手还是资深的观测者）最喜爱观测的深空天体之一。若论深空天体的最初印象，或许只有明亮的环状星云M57、全天最大的球状星团欧米伽星团NGC 5139等少数几个令人称奇的深空天体可以与之相比较。由于猎户座大星云位于十分具有辨识度的猎户座宝剑处，且其亮度足以在光害严重的城市中用小型望远镜观察到，因此经常被推荐为入门必看的深空天体之一。

猎户座大星云位置（图源Stellarium）

猎户座大星云在天空中的位置为赤经05h35m16.8s，赤纬-05°23′24″（历元J2000），属于冬季星空中的深空天体，对于国内来说，它在上中天时的地平高度可以达到30度以上，再加上它的视星等约为4等，因此往往是3月份进行梅西叶马拉松时可以轻松找到的前几个天体，甚至在天空尚未完全变暗时，就已经可以用望远镜从暗蓝色的天空背景中轻松辨别出来。它的视大小约为66角分×60角分，视面积约为1平方度，是满月的四倍大，核心区峰值表面亮度可达到17等/平方角秒。猎户座大星云的绝对星等为-4.1等，距离地球约1344光年，是距离最近的恒星形成区。其天体编号除了M42，还有NGC 1976、Sh2-281、LBN 974、Ced 55d等。因其是猎户座方向一个明亮的射电源，因此也被称为“猎户座A”。

惠更斯绘制的图像（图源：奥克拉荷马大学图书馆）

在中世纪及更早的已知文献中，均没有明确提到猎户座大星云的记录，但是其中最亮的恒星猎户座θ却已被编入星表。对该星云最早的明确记录出现在1610年至1611年间，当时法国天文学家尼古拉斯·佩雷斯克首次记录了这个星云的发现。之后许多天文学家也分别独立发现了它，包括瑞士天文学家约翰·西萨图斯、意大利天文学家乔瓦尼·霍迪尔纳等人。1656年，荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯再次独立发现了它，并绘制了该星云中心区域的详图，在此之后猎户座大星云变得广为人知。1769年3月4日，法国天文学家查尔斯·梅西叶在他的星表中将该星云记录为第42个和第43个天体。英国天文学家威廉·赫歇尔用48英寸望远镜观测后称之为“一片未成形的火雾，乃未来太阳之混沌初材（an unformed fiery mist, the chaotic material of future suns.）”，他的儿子约翰·赫歇尔将该星云描述为“破碎的鱼鳞天（breaking up of a mackerel sky）”。1880年，美国业余天文学家亨利·德雷伯使用11英寸望远镜成功拍摄了猎户座大星云核心区域的照片，这是人类获得的第一幅星云照片；三年后，英国业余天文学家安德鲁·康芒获得了更大视场的图像。

德雷伯（左）和康芒（右）拍摄的猎户座大星云（图源：wikipedia）

猎户座大星云虽然往往是初学者观测的第一个深空天体，但其形态结构非常精细，即便对于老手也值得反复辨认。下面的结构图是由哈勃空间望远镜拍摄的，笔者对其进行了翻译，这张图像揭示了该星云惊人的细节。其中最亮的核心区域被称为惠更斯区，在其东北侧有一块凹陷进去的暗星云，被称为“鱼嘴”或“大海湾”，图中也可见迪马伦星云M43、构成火鸟翅膀的南翼和北翼等结构。

猎户座大星云结构详解（图源：参考资料13；笔者翻译）

在不同的光污染环境下，目视观测猎户座大星云的效果也有所不同，在一般环境下看到的往往是一只展翼的“大鸟”，而在极品环境下则类似数字化巡天（Digital Sky Survey，DSS）所呈现的戒指般的环状形态。由于其核心区存在较亮的恒星，因此进行天文摄影时需要注意控制曝光量，以免过曝。因此它虽然是初学者最容易成像的天体之一，但实际上比一般天体处理要更复杂，需要混合叠加不同曝光时间的图像以保持整体外观的均衡，并使核心区不至于过曝。

DSS巡天图像（图源：Stellarium）

惠更斯区包含的双星猎户座θ的角距离达到135″，算是很宽的双星，其中的猎户座θ1便是著名的四边形星团，如下图。四边形星团是一个疏散星团，其中的年轻恒星几乎都是变星，它最明亮的4颗成员星分别被编号为A、B、C、D，即使用小口径望远镜也能轻松分辨；而其他暗于10等的成员星（如E、F等）虽然也在业余望远镜能力范围之内，但需要更好的观测条件才能看到（建议望远镜的放大倍率超过100倍）。四边形星团被惠更斯区包裹着，直到未来星云消散，我们才能欣赏到这个壮观星团的全貌。

四边形星团图示（图源：Sky & Telescope）

1995年，莱斯大学的天体物理学家Zheng Wen和C. R. O'Dell创建的三维模型显示，惠更斯区的恒星发出的辐射正在侵蚀周围的星云物质，四边形星团则悬浮在它们所创造的“山谷”上方，东南侧邻接着陡峭的悬崖，而西部上方则悬着名为“鱼嘴”的暗星云。四边形星团使庞大的猎户座分子云电离发光，形成了我们所见的猎户座大星云，这个庞大的分子云覆盖着猎户座，还囊括了马头星云、火焰星云、M78和巴纳德环等等，并且处在一个更大的猎户-波江超级气泡里。因此，在天文摄影中，除了拍摄该区域部分星云的特写，还可以结合周边星云形成广角构图，进行广域深空拍摄。

猎户座大星云核心区的三维建模（图源：Sky & Telescope）

发射星云是一团因电离而发光的气体云，因此其附近必须存在发射大量高能紫外辐射的恒星。这些恒星热而明亮，它们辐射的紫外波段光子将星云中的中性氢原子（H I）中的电子剥离，从而产生自由电子和氢离子（H II - 基本上是自由质子）。电子被紫外光子剥离的时候会吸收能量，当它重新被氢离子核俘获时，先前吸收的能量便会以较低能量光子的形式释放出来，这些光子的波长相对固定。其中特别常见的是当电子从第三个能级壳层跃迁到第二个壳层时，所发射出的波长为6563埃的光子，它也被称为“Hα线”，颜色呈现红色，这是许多发射星云（如玫瑰星云、礁湖星云和鹰状星云）在照片中呈现出明显红色的原因。星际气体云主要由氢组成，但它们还包含氦以及微量的碳、氮、氧、硫、氖、氯和其他元素。当气体的温度和密度合适时，来自其他元素的电离发射线可以与Hα线的强度相竞争。猎户座大星云在目视时呈现绿色的外观，就是由于氧的双电离辐射在肉眼较为敏感的4959和5007埃波长处发生。下图是光谱仪获得的猎户座大星云中心区域光谱图，除了氢原子发出的Hα、Hβ和Hγ发射线外，还可以看到电离氧原子发出的强烈的O III发射线，以及由电离氮（N II）和中性氦（He I）等产生的弱发射线。

猎户座大星云发射光谱（图源：参考资料14）

使用LRGB或者SHO滤镜对猎户座大星云进行摄影，后期合成往往能得到绚丽多彩的图像，因此大家可能会先入为主地认为，目视观测也会呈现类似的“五颜六色”。但由于人眼对O III的绿光比Hα的红光敏感，因此在提到颜色的目视报告中，往往会将其描述为青绿色。但据一些资深观察者（如Steve Gottlieb和S.J. O'Meara）多次描述，目视观测也有可能会观察到一部分微妙的红色，而非单一色调。

由于猎户座大星云的谱线较为单一，因此可以使用对人眼敏感波段透过率高的滤镜（例如UHC或者O III滤镜）进行目视观测，以抑制光污染的不利影响，增强星云的对比度。据Dave Knisely使用Lumicon的Deep-Sky、UHC、O III以及Hβ滤镜的测评记录，相比无滤镜而言，UHC滤镜的对比度大幅度提升，效果最好；带宽更窄的O III滤镜对比度更高且内部细节更好，次之；Deep-Sky增强效果不如前2个；Hβ滤镜对整体效果不如其他滤镜，但对M43的观测效果比其他滤镜好，使其细节脱颖而出，甚至可见一些微红色。但要注意的是，如Lumicon UHC等备受观测者喜爱的滤镜，它们的光谱带宽与国内常见的UHC滤镜不一样，因此不能简单类比。目前国内已经开始流行使用Hα和O III双谱线5nm窄带滤镜，搭配白磷无膜管夜视仪，直焦到长焦镜头或者天文望远镜上，目视可以取得十分良好的效果，细节超出相同环境下肉眼观测，一般所见即所得，如下图是笔者在5级光污染地区使用手机拍摄的，目视效果与之类似。

笔者使用夜视仪接DOB8通过手机拍摄的猎户座大星云

对于观测者来说，猎户座大星云无疑是北半球冬季夜空中最易观测的发射星云。与雨水丰沛的夏季不同，冬季往往意味着冷空气、晴朗、干燥和透明，通常拥有更好的观测条件。不过天文爱好者需要顶着严寒进行观测和拍摄，自然需要一番热爱及毅力，这颗在猎户的宝剑上闪烁着的“钻石”，静静等待着对天空怀抱好奇心的每一双眼眸。

参考资料

[1] Duerbeck H W , Steinicke W .Observing and Cataloguing Nebulae and Star Clusters. From Herschel to Dreyer's New General Catalogue (Steinicke)[J].Journal of Astronomical History and Heritage, 2011, 14.

[2] O'Meara S J .Deep-sky companions: The messier objects, second edition[J]. 2014.

[3] Night Sky Observers Guide by George Robert

[4] M42，SIMBAD，http://simbad.unistra.fr/simbad/sim-id?Ident=M42

[5] Messier 42，SEDS Messier Database，http://www.messier.seds.org/m/m042.html

[6] Steve Gottlieb's NGC Notes，https://astronomy-mall.com/Adventures.In.Deep.Space/steve.ngc.htm

[7] Roger W. Sinnott，The Orion Nebula, Exactly?，Sky & Telescope，https://skyandtelescope.org/astronomy-news/the-orion-nebula-exactly/

[8] Bob King，Star-Trapping in Orion's Trapezium，Sky & Telescope，https://skyandtelescope.org/observing/star-trapping-in-orions-trapezium/

[9] Dave Knisely，Filter Performance Comparisons For Some Common Nebulae | The Prairie Astronomy Club，https://www.prairieastronomyclub.org/filter-performance-comparisons-for-some-common-nebulae/

[10] Bob King，How to See the Orion Nebula in 3D，Sky & Telescope，https://skyandtelescope.org/observing/see-orion-nebula-3d12172014/

[11] Orion Nebula (M42)，AstroExploring，https://astroexploring.com/blog/imaging-the-orion-nebula/

[12] 喻园天文，M42 猎户座大星云结构解析（新），知乎，https://zhuanlan.zhihu.com/p/145421681

[13] Topografía de la Nebulosa de Orion，http://www.astrosurf.com/patricio/DS/M42-topografia.htm

[14] Walker R. Spectral Atlas for Amateur Astronomers: A Guide to the Spectra of Astronomical Objects and Terrestrial Light Sources. Cambridge: Cambridge University Press; 2017.

[15] Orion Nebula，wikipedia，https://en.m.wikipedia.org/wiki/Orion_Nebula

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