夜空中的“大螃蟹”，是千年前不寻常天体留下的痕迹？

作者|冯梓洋

审核|董晨晖、赵经远

编辑|赵经远

1054年，天空出现了一个不同寻常的天体，它的亮度与金星相近，在人们的视线中停留了642天以后才消失在茫茫星空之中。如今，人们已知道这是一颗超新星，并将其编号为SN 1054，也称为天关客星，它留下来的遗迹就是著名的蟹状星云。蟹状星云在梅西叶星表中被编为第1号天体，即M1，位于金牛座ζ（中国古代恒星名称为天关）的西北方向。视星等为8.4，仅凭肉眼难以看见，但在条件好的环境下使用双筒望远镜勉强能观测到它。

软件模拟SN 1054爆发的景象，以及中国古籍中的相关记载，来源：Stellarium、《中国古代天象记录总集》

蟹状星云的在天球上的位置为赤经05h34m31.94s，赤纬+22°00′52.2″（历元J2000），它的编号除了M1以外，还有NGC 1952，LBN 833等。它是第一个被确认的超新星遗迹，其中心是一颗脉冲星。蟹状星云距地球约6500光年，直径约11光年，正在以每秒约1500公里的速度膨胀。

蟹状星云M1，来源：Stellarium

在蟹状星云的照片中，我们可以分辨出两种不同颜色的区域：外部由红色丝状结构组成，其光谱中含有较强的发射线，在1054年超新星爆发事件中，蟹状星云的前身星以极高的速度抛射出外层物质，这些物质与周围的星际物质相互作用，形成了丝状结构；以及核心附近的蓝色弥漫区域，这一区域的光谱为连续谱，蟹状星云内部的电子被脉冲星的磁场偏转并加速，辐射呈现为蓝色，具有高度的偏振性。

哈勃空间望远镜拍摄的蟹状星云，来源：NASA

人们对蟹状星云的观测已有近千年的历史。1054年7月4日，凌晨的东方天空中出现了奇异的景象，北宋司天监的官员们忠实地记载了这一事件：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（《宋会要》）。除了中国之外，在日本、伊拉克等国家也留下了这颗客星的相关记载。

《宋史·天文志》也记载了天关客星，来源：参考资料6

时间来到了1731年，英国天文学家约翰·贝维斯（John Bevis）首次观测到这个神秘的星云，并将其绘制在自己的星图中。1758年，法国天文学家查尔斯·梅西叶（Charles Messier）也独立发现了这个位于金牛座方向的星云，并将其编入自己的星表，列为第1号天体（当时梅西叶正在寻找回归的哈雷彗星，他误把该星云当成了哈雷彗星，一段时间后才意识到这个模糊天体不是彗星，这次经历促使他编制一份彗星状深空天体的列表，这就是梅西叶星表）。19世纪40年代初，爱尔兰天文学家第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯（William Parsons, 3rd Earl of Rosse）也观测了这片星云，并为其绘制了素描，由于他绘制的图像极像螃蟹，因此得名为蟹状星云。

威廉·帕森斯绘制的蟹状星云素描，来源：参考资料5

1921年，美国天文学家卡尔·兰普兰德（Carl Lampland）发现蟹状星云的形态有所变化，随后被美国天文学家约翰·邓肯（John Duncan）证实，后者强调蟹状星云正在膨胀。同年，瑞典天文学家克努特·伦德马克（Knut Lundmark）列出了中国古籍中的60颗疑似“新星”（当时还不知道超新星的存在，这些“新星”中的一些其实是超新星），1054年客星也在其中。1928年，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）意识到蟹状星云的膨胀表明它可能是由恒星爆炸形成的，并由膨胀速度推算出爆炸发生于900年前，首次猜测蟹状星云可能与1054年客星有关。

1934年，德国天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）和瑞士天文学家弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky）提出存在一种能量极高的恒星爆炸现象，这就是超新星。1939年，美国天文学家尼古拉斯·马约尔（Nicholas Mayall）测量了蟹状星云的距离和大小，推断1054年客星可能是一颗超新星，初步确认蟹状星云很可能是它留下的遗迹。马约尔后来和荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）合作，进行了更细致的研究，最终在1942年证明了3年前得到的初步结论。

来自蟹状星云的射电脉冲，来源：NRAO

1968年，美国天文学家大卫·施特林（David Staelin）和爱德华·赖芬斯坦（Edward Reifenstein）使用绿岸射电望远镜，在蟹状星云附近发现了两个脉冲射电源，并指出它们可能与蟹状星云相关，但受限于分辨率，他们不能精确定位，因此无法给出确定的答案。同年11月，美国天文学家理查德·洛夫莱斯（Richard Lovelace）等人使用阿雷西博射电望远镜，精确定位了其中一个脉冲射电源的位置，确定它位于蟹状星云中心区域，并测得它的脉冲周期是33毫秒。这就是1054年超新星残留的核心物质——蟹状星云脉冲星，也被编号为PSR B0531+21。蟹状星云脉冲星的直径只有约20千米，但它的质量却比太阳还要大。它也是一颗少见的光学脉冲星，在光学波段也有光变，变星编号为金牛座CM，其光变周期与射电脉冲周期相同，都是33.085毫秒，这也是它的自转周期。这颗脉冲星的视星等为16.65等，这意味着，这颗非常小的超新星残留物的绝对星等大约是5.3等，与太阳的绝对星等相当（太阳稍亮一些）。

蟹状星云在星图上的位置，来源：Stellarium

蟹状星云相对较暗，是梅西叶星表中较难观测的天体之一，良好环境下使用10×50的双筒望远镜仅仅能看到一个模糊的斑点，使用5英寸望远镜勉强能看到一个不规则的星云，其形状略为明显，在星云的内部隐约能看到一些条纹结构。如果通过大口径望远镜，则可以看到蟹状星云的主体呈S形，大致沿西北-东南方向，东南侧较暗，末端是一个延伸部分，有一个暗区深入其中；在星云的中间区域，可以看到两颗16等星，位于西南方向较暗的那颗就是蟹状星云脉冲星。

美国天文爱好者Howard Banich使用28英寸望远镜目视观测蟹状星云及其脉冲星，并绘制了这副素描，来源：参考资料11

蟹状星云是研究最深入、最著名的超新星遗迹之一，近一个世纪对它的研究深刻影响了天文学的方方面面，特别是超新星、中子星、宇宙线等前沿领域。在晚秋到早春的晴朗夜晚，不妨和小伙伴一起寻找这个古老神秘的星云，去领略来自宇宙的魅力吧。

参考资料

（1）M1，SEDS Messier Database，http://www.messier.seds.org/m/m001.html#bolton1949

（2）Crab Nebula ，wikipedia，https://en.wikipedia.org/wiki/Crab_Nebula

（3）Ronald Stoyan，ATLAS of the MESSIER OBJECTS

（4）The Death Throes of Stars，NASA，https://science.nasa.gov/mission/hubble/science/science-highlights/the-death-throes-of-stars/

（5）Lord Rosse's drawings of M1， the Crab Nebula，http://www.messier.seds.org/more/m001_rosse.html

（6）宋史·天文志，中国国家数字图书馆，http://read.nlc.cn/OutOpenBook/OpenObjectBook?aid=892&bid=222852.0

（7）什么是多波段天文学？看这一篇就足够了！|天文学家的备忘手册，微信公众号“中国科学院高能物理研究所”， https://mp.weixin.qq.com/s/7-y781GOT_YBxxCSmN9CfA

（8）SN 1054，wikipedia，https://en.m.wikipedia.org/wiki/SN_1054

（9）Crab Pulsar，wikipedia，https://en.m.wikipedia.org/wiki/Crab_Pulsar

（10）The Crab Pulsar and Nebula，NRAO，https://www.nrao.edu/archives/items/show/33474

（11）Howard Banich的个人主页，https://sites.google.com/site/howardbanichhomepage/observations/observing-notebook-scans/notebook-10-1?authuser=0