《天文基础知识》第一章：太阳系与系内行星

第四节 星体分类

一、星云

星云，顾名思义，它是一种“云”，类似地球天空中的“云”。这里的星云指的就是从地球看去，深空中有一片类似地球大气中的“云”状物质。实际则在“星”这个字中体现出来，这一片是恒星的诞生区域。星云是由尘埃、氢、氦和其他电离气体构成的星际云。星云在体积上非常庞大，有些星云的直径可以达到数百光年。密度也要比周围环境大得多，但大多数星云的密度远低于地球上产生的真空。在地球上，多数星云肉眼可见，星云发出的光的强弱基本由内嵌恒星的亮度来决定，而其他的星云则需要通过摄影技术和后期处理才能展现在人类的面前。

星云在天文学的领域内十分著名。在银河系内，距离我们约6500光年的地方有一个名为老鹰星云的地带，鹰状星云是银河系的一个恒星诞生区，约有超过八千颗的恒星。在鹰状星云的中部，屹立着三根绵延四五万光年的柱状星云，因为它的高大威猛和其孕育恒星的能力，人类将它命名为“创生之柱”。“创生之柱”距离地球约7000光年，因为其距离遥远，所以人类现在看到的景象不过是很久之前的画面。新生恒星会不断汲取星云，对于创生之柱也是如此，其散发的强烈辐射以及来自附近的强烈风暴会不断摧毁并加速孕育它们的创生之柱不断坍塌。根据人类科学家判断，创生之柱或许已经被6000年前爆炸的超新星冲击波摧毁，但只是因为距离遥远，所以我们还能看到它生前的画面。

星云有多种形成机制，在第一个方面，有些星云是由星际介质中的气体形成的，这种气体是一种庞大而宽广的分子云，并且它在星际气体中需要处于最冷、最密集的相位，可以通过更多扩散气体的冷却和冷凝而形成。在第二个方面来讲，其他的星云是由某些恒星在演化后期形成的物质造成的。恒星形成的区域是一类与巨大分子云相关的发射星云。这些形式的分子云在自身重量的作用下崩塌，并开始形成原恒星。在这个部位有极大的可能会产生大质量恒星，它们的紫外线辐射会将周围的气体电离，使得它们可见于光学波长下。目前观测到的恒星形成区域，来自恒星形成的反馈。大质量恒星的超新星爆炸、恒星风或大质量恒星的紫外线辐射，或者来自小质量恒星的流出，都会对星云造成不可挽回的破坏，甚至会造成整个星云的坍塌，摧毁星云的结构。

其他星云生命的结束则是超新星爆炸的结果，这是大多数短暂生命恒星的死亡结果。还有某些星云会形成行星状星云，在恒星衰老的过程中，恒星会抛出大量物质和能量，随着年龄的增长，在恒星抛出足够多的能量后，它的温度会逐渐升高，它所发出的紫外线辐射会电离周围它所抛弃的星云。进而对孕育它的星云造成不可避免的伤害，同时，当一个恒星的生命接近最后阶段时，它会逐渐生成一个行星状星云，最后伴随着温度和亮度的减弱，慢慢消失在宇宙中。

二、恒星

恒星是由发光等离子体——主要是氢、氦和微量的较重元素——构成的巨型球体。对于恒星，我们并不陌生，太阳即为离我们地球最近的恒星。我们接受着太阳带给我们的光和热，但也在时时刻刻堤防着太阳发射的高速粒子流。夜晚能用肉眼看到的恒星几乎都在银河系内，但我们看到的恒星只是银河系的一小部分。

人类对于恒星的观测和研究从很早很早就已经开始了，最古老的，标有精确日期的星图出现在公元前1534年的古埃及。古代的天文学家都相信恒星被固定在永恒的天球上，并且永远不会变化。于是中国古代的天文学家将天空中的恒星划分为多个星宿，将他们命名，并将国家和皇帝的命运赋予了恒星群，绘上了神话的色彩：北方星空，恒星大体上可以分为三个垣：北天极附近的紫薇垣、东方星空的太微垣和北方星空的天市垣。每一个垣里有很多恒星，他们依据古人的想象中分担不同的“职务”，紫微垣是天帝居住的地方，太微垣是天帝处理政务的地方，天市垣是进行交易的地方。每一个垣里面都有各种恒星组成的事物或者官员。恒星的变换代表着一个国家的兴起和灭亡。当然这种说法具有很大的不确定性，国家的命运并不会和距离我们非常遥远的恒星有关。

现代人类对于恒星的观测主要运用来自恒星的电磁波辐射，因为恒星的距离过于遥远，所以人类并不能用传统的观测方法来进行观测，除了电磁波以外，引力波、宇宙线等也能捕捉远处恒星的蛛丝马迹，但是这些观测技术相对来说没有电磁波观测成熟，所以目前人类还是主要运用电磁波辐射来观测恒星。

恒星明亮的程度被称作视亮度。天文学家把亮度分成若干等级，这就是视星等。恒星的视星等并不能反映恒星真正的光度，因为恒星距离地球远近不同。地球上看，太阳是最亮的恒星，但是织女星的亮度是太阳的六万倍，由于离地球十分遥远，它的视星等只有0等，比太阳暗多了。天文学家为了比较恒星真实的发光差距，定义了绝对星等：恒星在10秒差距处的视星等。这种定义方法能够很好地解决恒星距离地球远近的不同。在地球上确定恒星的位置，需要确定其在天球上的坐标和距地球距离。确定恒星在天球上的坐标，通常需要规定天球坐标系。一般有地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系和银道坐标系（银道坐标系，是以太阳为中心，并且以银河系明显排列群星的平面为基准的天球坐标系系统，它的“赤道”是银河平面。相似于地理坐标，银道坐标系的位置也有经度和纬度）等。所有天球坐标系都规定了基本轴、基本点和度量方向范围。现在有了大规模巡天数据，进而获得恒星的天球坐标，测量恒星距离。测量恒星距离有几种方法：三角视差法、分光视差法、造父视差法、标准烛光法等。

在恒星的性质上，可将恒星分为：稳定星和不稳定星。稳定星又可分为主序星、双星和多星。主序星是恒星一生中处于稳定阶段的恒星。恒星在这个阶段停留的时间占整个寿命的90%以上，相当于人类的青壮年阶段。主序星内部的化学成分基本相同，能源机制也基本类似。双星是两颗恒星，它们围绕公共质心相互绕转。看起来是一颗恒星的，实际上有可能是双星。双星也可分为食双星、分光双星、密近双星和聚星；不稳定星就是恒星的各种物理参数发生变化。变化的形式可能是周期性的脉动，也可能是不规则的迸发或者爆炸。不稳定星分为脉动变星、特殊脉动变星和耀星。

三、行星

在行星的定义上，起初人类并没有给予太多的关注，随着人类观测技术的进步，发现了众多和地球相近的星体，进而开始了对于行星定义的探索。在传统的定义上，行星通常指自身不发光，环绕着恒星的天体。其公转方向常与所绕恒星的自转方向相同。一般来说行星需要具有一定质量，行星的质量要足够大，且近似于圆球状，自身不能像恒星那样发生核聚变反应。随着人类对于行星的细致观测和专业的划分，行星有了新的定义：必须是围绕恒星运转的天体，质量必须足够大，来克服固体引力以达到流体静力平衡的形状（近于球体），必须清除轨道附近区域，公转轨道范围内不能有比它更大的天体。

由于人类在星际探索方面的有限，这里我们只讲太阳系内行星，重点以太阳系内八大行星为例。八大行星是指太阳系的八个大行星，按照离太阳的距离从近到远，它们依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。八大行星自转方向多数也和公转方向一致。只有金星和天王星两个例外。金星自转方向与公转方向相反，天王星则是与公转轨道呈97°角旋转。与2006年之前提到的九大行星概念不同，在2006年8月24日于布拉格举行的第26届国际天文学联会中通过的第5号决议中，冥王星被划分为矮行星，除名于八大行星之外。由此现今只有八大行星的说法。

在八大行星的分类方面，可以根据其具体特征分为类地行星和类木行星。类地行星中含有水星、金星、地球和火星。类地行星的结构大致相同，都类似地球具有岩石陆地，所以被称为类地行星。类木行星包含有木星、土星、天王星和海王星。这些行星都是类似木星的气体行星，体积比类地行星大很多。由于木星、土星与天王星、海王星有很多地方不同，所以类木行星又分为两类：1、巨行星，指的就是木星和土星;2、远日行星，指的是天王星和海王星。

四、小行星

小行星为微型行星的一种，但体积和质量比行星小得多。大部分的小行星都分布于内太阳系，因此“小行星”一词更常被用于专指内太阳系非彗星的小天体。从1801年意大利天文学家皮亚齐发现第一颗小行星起，小行星的发现至今只有200多年的历史。但从1991年开始到现在，人类无人探测器对于小行星的实践探索从未停止过脚步。在发现小行星初，天文学家以为小行星是一颗在火星和木星之间的行星破裂而成的，但小行星带内的所有小行星的全部质量比月球的质量还要小，所以该理论并没有产生很大的影响。而今天天文学家认为小行星是太阳系形成过程中没有形成行星的残留物质。

随着科技的发展，人类分析技术大幅度提高，通过光谱分析所得到的资料可以证明小行星的表面组成很不一样。按其光谱的特性小行星被分为以下十三类:

C-型小行星：这种小行星占所有小行星的75%，因此是数量最多的小行星。C-型小行星的表面含碳，反照率非常低，只有0.05左右。一般认为C-型小行星的构成与碳质球粒陨石（一种石陨石）的构成一样。一般C-型小行星多分布于小行星带的外层。

S-型小行星：这种小行星占所有小行星的17%，是数量第二多的小行星。S-型小行星一般分布于小行星带的内层。S-型小行星的反照率比较高，在0.15到0.25之间。它们的构成与普通球粒陨石类似。这类陨石一般由硅化物组成。

M-型小行星：剩下的小行星中大多数属于这一类。这些小行星可能是过去比较大的小行星的金属核。它们的反照率与S-型小行星的类似。它们的构成可能与镍-铁陨石类似。

E-型小行星：这类小行星的表面主要由顽火辉石构成，它们的反照率比较高，一般在0.4以上。它们的构成可能与顽火辉石球粒陨石（另一类石陨石）相似。

V-型小行星：这类非常稀有的小行星的组成与S-型小行星差不多，唯一的不同是它们含有比较多的辉石。天文学家怀疑这类小行星是从灶神星的上层硅化物中分离出来的。灶神星的表面有一个非常大的环形山，可能在它形成的过程中V-型小行星诞生了。地球上偶尔会找到一种十分罕见的石陨石，HED-非球粒陨石，它们的组成可能与V-型小行星相似，它们可能也来自灶神星。

G-型小行星：它们可以被看做是C-型小行星的一种。它们的光谱非常类似，但在紫外线部分G-型小行星有不同的吸收线。

B-型小行星：它们与C-型小行星和G-型小行星相似，但紫外线的光谱不同。

F-型小行星：也是C-型小行星的一种。它们在紫外线部分的光谱不同，而且缺乏水的吸收线。

P-型小行星：这类小行星的反照率非常低，而且其光谱主要在红色部分。它们可能是由含碳的硅化物组成的。它们一般分布在小行星带的极外层。

D-型小行星：这类小行星与P-型小行星类似，反照率非常低，光谱偏红。

R-型小行星：这类小行星与V-型小行星类似，它们的光谱说明它们含较多的辉石和橄榄石。

A-型小行星：这类小行星含很多橄榄石，它们，主要分布在小行星带的内层。

T-型小行星：这类小行星也分布在小行星带的内层。它们的光谱比较红暗，但与P-型小行星和R-型小行星不同。

在2017年10月19日，对于探究天外来客“奥陌陌”是小行星还是彗星，甚至是天外来客的身份上，同样运用了光谱分析的方法。当时人们对于此“天外来客”进行了很多的假设以及数据分析，在无数次试验后得到的结果中，不管是D型小行星、彗星核还是海王星外天体，它们持续上升的反射光谱一直被认为是由于富含有机物的表层受到各种辐射的结果。从实验现象的分析上来看，小行星和彗星的界限并不是那么明显，因此，“奥陌陌”的身份依旧是个未解之谜。要找到更为准确的分析结果，人类需要在小行星的研究上投入更多的精力。