球状星团观测小谈

作者|王思亮

审核|郑成卓

编辑|赵经远

夏季时分，在洁净而黑暗的农村夜空下，若是用小型双筒望远镜向银河附近望去，或许你能幸运地看见一些像一小团棉花一样的、模糊的小光斑——当然这需要集中你的注意力。如果借助口径大一些的天文望远镜观测，你会发现，这些球形的光斑其实是由很多星星点点聚集而成的，越往中心处星点也越密。如果撇开那些专业的天文学理论，我们大概会觉得这种神秘天体的外观是奇妙新颖的，而天空也不再是日常司空见惯地散落着太阳系天体和无数恒星的样子。

半人马座ω星团（图像来源：ESO）

这种天体一般呈球状或近似球状的结构，因此得名“球状星团（Globular Cluster）”。偶尔也有一些形状奇怪的球状星团，例如形状扁长的M19，它是已知的最扁的球状星团之一。球状星团一般由数万至数百万颗恒星组成，由于引力作用，它们越往中心密集度越大。球状星团多存在于星系晕中，往往环绕在星系的中心区域，或在星系盘面上方和下方形成球状分布，并绕着星系核心运行，就好比绕着行星运行的卫星一样。球状星团广泛分布于银河系和其他星系的周围，银河系中已知的大约有150个，位于仙女座星系中的则多达500个，在M87中可能多达1000多个。

一般来说，银河系球状星团的直径在十几至数百光年之间，视星等则从3到10等以上均有分布。如果按照22等恒星作为亮度划定边界，银河系球状星团的视直径大多在十几角分之内，而银河系最大最明亮的半人马座ω星团（又名库楼增一、欧米伽星团、NGC 5139、C80）能达到29角分，接近太阳或月亮的视直径——没错就是这么巧合。而在银河系外的球状星团中，最亮的M31 G1（Mayall 2）视星等为13.8等，其视直径也非常小。因此，普通的目视观测者主要把目光放在银河系内的球状星团上，而河外星系里的球状星团（如M31的球状星团甚至M87的球状星团）则成为了一些资深目视爱好者的观察目标。

距离银心5万光年范围内的119个球状星团分布（图像来源：RASC Calgary Centre）

在约150个银河系球状星团中，有29个属于梅西叶天体，有18个属于科德韦尔天体，另外还有41个拥有Melotte或者Collinder编号。这些球状星团中的佼佼者们均有NGC或IC编号，且通常都拥有相对可观的亮度和视直径。只需使用一副普通的双筒望远镜，就足以找到其中大部分较亮的目标，因此对于新手来说十分友好。

观测球状星团的乐趣之一，便是尝试在不同望远镜中观测同一个球状星团的不同形态，观察是否能分解出其中的恒星以及分解程度。例如使用20×80的双筒望远镜观看半人马座ω星团时，在视场里可见毛茸茸的一大团毛球，亮度异常高，而且直径很大，非常显眼，就像是暗黑空间中的一团大烟球，从中间到边缘有明显过渡，但是无法分解出恒星。而使用200mm口径的牛顿反射式望远镜观测时，星团从边缘到中心分解出了无数密密麻麻如细沙般的恒星，在高倍率下观察仿佛畅游在数不尽的恒星海洋之中。这是由于望远镜的口径决定了望远镜的极限星等和分辨率，而放大倍率则决定了能否被人眼分解开，如果球状星团中最亮的一批成员星比望远镜的极限星等亮，且这些相对较亮的成员星之间的角距离经过望远镜放大后超过了人眼的分辨极限（约1角分），那么观测者就可以分解出这些恒星。据笔者实践分析，200mm口径的望远镜能分解的球状星团约有30个。在人类历史上，最早被分解出恒星的球状星团是位于天蝎座方向的M4，这是由法国天文学家查尔斯·梅西叶（Charles Messier）在1764年观测发现的。

球状星团M4（图像来源：ESO）

天文学家常用沙普利–索耶集中度分类法（Shapley–Sawyer Concentration Class）来描述球状星团的集中度，这一分类系统将球状星团分为I到XII型，级别越高，星团的中心越密集。集中度最高的星团（如M75），分类为I型，视觉上成员星高度向中心集中；集中度最低的XII型（如NGC 4372），成员星均匀分散，几乎没有朝向中心聚集。集中度在一定程度上也与光污染对球状星团的观测影响有关，如果星团分散度很高，平均亮度也比较低，那么对这类球状星团的观测就会比那些中心高度明亮的球状星团要困难许多。

球状星团可以根据密集程度进行分类，从最密集的I型到最松散的XII型（图像来源：参考资料9）

除了常见的球状结构外，球状星团还可能展现出一些特殊的特征。其中之一是星链（star chain），即一系列恒星在空间中呈线性排列的现象，这可能是由于星团内部的动力学作用所致。例如M4拥有一条像锁链一样穿过星团的星链特征，用小型折射望远镜可以很容易地观察到。另一种特征是暗带（dark lane），这是在球状星团中观测到的一些暗淡区域，可能是由于尘埃或星际物质的遮挡所致。最著名的暗带特征要数M13中的Y形“螺旋桨（propeller）”暗带，你甚至可以在19世纪爱尔兰天文学家宾顿•史托尼[Bindon Stoney，曾担任第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯（William Parsons, 3rd Earl of Rosse）的助手]所绘制的素描中看到它。不过，对于上面所说的这些特征而言，天文摄影往往会过度曝光，并不能很好地将它们在照片中反映出来，因此你需要通过仔细的目视观测或者在类似素描的图片中去寻找它们。

天文爱好者Michael Vlasov为球状星团M4绘制的素描，可见中间的星链特征（图像来源：参考资料11）

对于北半球的大多数观察者来说，位于武仙座方向的M13因为较亮且赤纬偏北，成为了很受欢迎的球状星团。但是从亮度和可分解度来说，许多坐落于南天的球状星团反而更适合观测，诸如半人马座ω、杜鹃座47（NGC 104，科德维尔星表编号C106）、NGC 6397（科德维尔星表编号C86，位于天坛座方向）、NGC 6752（科德维尔星表编号C93，位于孔雀座方向）等等，其中很大一部分在我国偏南地区（如广东、广西、海南等）也是可以看见的。如果没有偏南的地理条件，那么位于天蝎座和人马座方向的M4、M22、M55这些梅西叶球状星团也是不错的选择。

宾顿·史托尼绘制的球状星团M13素描，其中可见螺旋桨特征（图像来源：The Big Bang）

如果你想在观测球状星团时做一些详细的记录，那么可以记下球状星团的显著程度、明亮程度、大小、形状、集中程度、分解度、恒星组成等等，还可以记下额外的“彩蛋”，例如一些有颜色的成员星和变星，以及M15 中心附近的行星状星云 Pease 1、M22 中的行星状星云 GJJC 1等。如果你想制定一个系统全面的球状星团观测计划，可以参考梅洛特星表。梅洛特星表是一份收录疏散星团和球状星团的天体表，由英国天文学家梅洛特（Philibert Jacques Melotte）于1915年编制而成。这份星表所挑选的球状星团都拥有较明显的球状星团特征，基本涵盖了一般业余天文爱好者观测能力内的目标，对于业余爱好者来说是很好的参考清单。

附录：银河系球状星团分解参考表，https://silas.lanzoum.com/iFQ0C1wszujg

参考资料

1、Globular cluster，wikipedia，https://en.m.wikipedia.org/wiki/Globular_cluster

2、球状星团，Celestia Wiki，https://celestia.fandom.com/zh/wiki/%E7%90%83%E7%8A%B6%E6%98%9F%E5%9B%A2?variant=zh

3、The Globular Cluster Database - Table 1，The NGC/IC Project，http://ngcicproject.observers.org/papers/gcdata.htm

4、Milky Way Globular Cluster List，Cloudy Nights，https://www.cloudynights.com/topic/643972-milky-way-globular-cluster-list/

5、Melotte, P. J. A Catalogue of Star Clusters Shown on Franklin-Adams Chart Plates. Mem.R.A.S., 1915, 60(5), 175-186.

6、Sawyer Hogg, Helen. Harlow Shapley and Globular Clusters. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1965, 77(458), 336–346

7、喻园天文，八寸望远镜分解球状星团推荐，知乎，https://zhuanlan.zhihu.com/p/188800600

8、관심법(觀深法) #6. 구상성단 (1/3) - 관측 Point，야간비행，http://www.nightflight.or.kr/xe/inform/133494

9、Bob King，Gobs of Globs — Tour 16 Spring Globular Clusters，Sky & Telescope，https://skyandtelescope.org/observing/gobs-of-globs-guide-to-16-spring-globular-clusters/

10、Cooke.Dark Nebulae, Dark Lanes, and Dust Belts[M].Springer US,2012.

11、Michael Vlasov，Messier 4 (Globular Cluster)，Deep Sky Watch，https://www.deepskywatch.com/Astrosketches/messier-4-sketch.html

12、Larry McNish，The Milky Way's Globular Clusters，RASC Calgary Centre，https://calgary.rasc.ca/globulars.htm

13、银河系球状星团分解参考表，https://silas.lanzoum.com/iFQ0C1wszujg

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