蟹状星云

宇宙天体

蟹状星云（Crab Nebula，编号：M1，NGC 1952或金牛座 A）是位于金牛座ζ星（天关）东北面的一个超新星残骸和脉冲风星云，是银河系英仙臂的一部分，距地球约6500光年（2000秒差距），直径达11光年（3.4秒差距），并以每秒约1500公里的速度膨胀。

起源

蟹状星云产生在公元1054年一次明亮的超新星爆发：SN 1054。当时中国、印度、阿拉伯和日本天文学家都记录了这一天文现象。而星云是由约翰·贝维斯在1731年第一次观测到的。1758年，查尔斯·梅西耶在观测一颗亮彗星时再次独立发现了这个星云。于是梅西耶将星云作为自己的类彗星天体星表中第一个成员。1848年，罗斯伯爵在比尔城堡观测到了此星云，因为他绘制的图像形状与螃蟹类似，因此被称为蟹状星云。

NASA制作的蟹状星云

20世纪早期，对早期间隔数年的星云照片进行的分析显示它正在不断膨胀。根据其膨胀速度反推可得，该星云在地球上开始可见的时间至少在7400（900年加上光从那里传播到地球的时间约6500年，见上文）年以前。而中国天文学家在1054年的记录在天空的相同区域产生过一颗亮星，甚至白天都可观测到。虽然距离十分遥远，但是当时中国人观测到的客星在白天也能看见，因此只可能是超新星。这是一种自身的核聚变已经终止并坍缩，从而发生爆炸的大质量恒星。

近期对历史记载的分析表明，产生蟹状星云的超新星爆发时间为4月或5月上旬，到了7月最亮时视星等升至-7到-4.5之间（比夜空中除了月球以外的任何天体都亮）。该超新星在首次发现大约两年之内都可用肉眼看到。归功于东亚和中东地区的天文学家在1054年的观测记录，蟹状星云成为第一个被确认与超新星爆发有关的天体。

蟹状星云是膨胀的超新星遗迹，是由公元1054年中国和阿拉伯天文学家观测发现的，当恒星爆炸后，它将留下一种叫做“脉冲星”的高密度恒星残骸。这种脉冲星以每秒30次的速度旋转着，但是伴随着它不断喷射粒子和电场风，脉冲星的旋转速度逐渐慢下来。

其中主要的宇宙粒子是电粒子，它们主要以X射线和伽马射线的形式进行高能量放射线喷射，当它们通过蟹状星云的磁场时会被加速。但是之前研究人员尚不清楚这些宇宙粒子具体在什么位置发生加速。英国南安普敦大学研究员托尼・迪安称，这种宇宙粒子加速现象的发生通常非常接近于脉冲星。

据悉，迪安和研究同事是基于欧洲INTEGRAL卫星的观测数据得出此结论的，该研究显示脉冲星46%的伽马射线喷射都出现了偏振，同时伴随着光子的电磁场以共有方位排列着。美国宇航局戈达德太空飞行中心的大卫・汤普森说，“这在天体物理学上是一个非常高比例的天文现象，像如此高百分比的偏振现象意味着这里的状况很好，其内部的磁场十分有序。”

像这样秩序井然的磁场通常被认为出现于脉冲星附近，而脉冲星表面的磁场要比地球磁场强1万亿倍。这种磁场非常像一个条棒状磁铁，由于它非常接近脉冲星，从其中一个磁场极浮现出的磁场线将发生弯曲，在其返回至其他磁场极之前形成油炸圈饼的形状。汤普森告诉《新科学家》杂志说，“磁场一旦就离开了脉冲星，其状况就变得更加复杂了，其原因是磁场开始分裂成为小片断和节结。”这项最新研究结果表明，脉冲星宇宙风中的粒子流正被加速接近脉冲星，之后磁场才变得紊乱复杂。

汤普森称，该发现符合理论预测，该预测很难进行观测。只有少数应用于X射线和伽马射线波长的偏振测量方法才能实现。意大昨的里雅斯特市国际高级研究学院的安纳里斯・塞洛蒂对该项研究评论称，这是因为测量高能量光子偏振方向很难，而且当前测试手段并不灵敏，不能完全测量出遥远天体的偏振现象。

汤普森对塞洛蒂的评论表示赞同，他说，“这种现象在另一颗脉冲星上很难进行复杂再现，这是由于蟹状星云与地球非常接近，只有6500光年之遥。从而使其成为相对容易探测的研究目标。蟹状星云是所有天文学研究人员的最钟爱的天体物理学研究室，我们已对这些简单问题进行了研究解答，我们要做的是进行更复杂的研究。

这项最新研究洞察了磁场作为“引擎装置”加速粒子，将有助于研究人员推断究竟是什么动力在推动更遥远、更昏暗的天体目标。汤普森说，“脉冲星及其周围区域是非常极端的天体物理学实例。你所了解的关于其如何运作的原理，将帮助我们理解粒子加速度和磁场形成的基础物理特性。”

物理状态

蟹状星云在可见光区中有大量椭圆形的丝状结构围绕着弥散的蓝色核心区域，长达6角分，宽达4角分（相比而言，满月的直径为30角分），是视直径最大的天体之一。从三维的角度看，该星云的形状是一个长椭球体这些丝状结构是前身星大气层的残余成分，主要由离子化的氦和氢组成，也含有碳、氧、氮、铁、氖和硫。这些丝状结构的温度通常处于11,000–18,000K之间，而它们的密度大约为每立方厘米1,300个粒子。

尽管蟹状星云是天文学家关注的焦点之一，但由于每种估测方法都存在不确定性，它的距离误差仍然是一个悬而未决的问题。2008年得到的共识是它离地球的距离为2.0±0.5千秒差距（6.5±1.6千光年）。蟹状星云正以大约1,500 km/s的速度膨胀。对间隔数年的星云照片进行分析，结果是它正在缓慢膨胀，比较这种角膨胀和谱线红移可以测定膨胀速度，此方法也能估测该星云到地球的距离。1973年，一项运用多种不同方法测距的分析得出了它距离地球约6,300光年的结论,根据它的视直径大小及距离可以计算出其直径约为13±3光年。

估测星云的总质量对于估计对应超新星的前身星质量是至关重要的。蟹状星云丝状结构含有的物质（离子和中性气体喷射物，主要是氦，）估计质量可达4.6±1.8M☉

天体构造

绚丽多彩的蟹状星云日前引起了天文学家们的浓厚兴趣：位于其中心部位的脉冲射电源有可能是迄今为止人类发现的首个具有四个磁极的天体构造。

通常情况下，宇宙中的脉冲射电源都只拥有一对磁极——北极和南极。但美国新墨西哥理工学院的提姆·汉金斯和吉恩·埃雷克等人却发现，传统的双磁极理论根本无法解释蟹状星云中脉冲射电源的活动情况。汉金斯表示，由于存在着多个磁极相互作用的现象，蟹状星云中射电源的磁场受到了明显的扭曲。

科学家们介绍说，在浩瀚的宇宙中，绝大多数脉冲射电源都只产生一种脉冲，而有少部分除了一个主脉冲外还拥有另外一个次脉冲--后者被称为“中间脉冲”。专家们认为，每一种脉冲都会对应两个磁极，它们的关系就像是一对密不可分的朋友。然而汉金斯和埃雷克却发现，蟹状星云中的脉冲射电源却完全与众不同——其主脉冲短暂而强烈，“中间脉冲”持续的时间很长，功率却很弱。

除此之外，这一“中间脉冲”所发出的无线电辐射也与其他脉冲射电源的完全不同。另一位美国科学家保罗·弗里埃尔在分析了汉金斯等人的研究成果后指出，在蟹状星云中发现的“中间脉冲”所产生的辐射极其特别，此前还从未碰到过类似的情况。

根据汉金斯提出的观点，导致“中间脉冲”辐射异常的原因可能是因为存在着第三个磁极。或许，第三个磁极是在脉冲射电源形成的过程中出现的。至于上述过程是如何发展的还有待于进一步的研究。

汉金斯补充说，蟹状星云中的脉冲射电源应该还拥有第四个磁极--因为所有的磁极都是成对出现的。

据美国宇航局官网报道，近日，美国宇航局三大天文台观测到“蟹状星云”中的一颗中子星正在释放大量高能粒子，它的能量释放速率相当于太阳的10万倍。

大约在公元1054年，人类从地球上就可以观测到金牛座一颗恒星死亡所引起的超新星爆炸。到了近千年后的今天，人们仍可以看到这颗恒星死亡后的壮观景象。在超新星爆炸发生后，产生了一种超高密度的天体，即中子星，而爆炸残留物所占领的区域就是人们所知道的“蟹状星云”。这颗中子星正在向“蟹状星云”辐射出大量的高能粒子，形成高能粒子风暴。美国宇航局钱德拉X射线天文台的观测数据显示，这颗中子星就像是一台巨大的宇宙发电机。

哈勃太空望远镜和斯必泽空间望远镜也参与了观测。美国宇航局根据三大天文望远镜所观测到的数据，最终形成了一张“蟹状星云”中子星高能粒子风暴的合成图。图中的蓝色部分就是由钱德拉X射线天文台数据所形成的X射线图像，黄色和红色部分则是由哈勃太空望远镜所拍摄的光学图像，而紫色部分则是由斯必泽空间望远镜所拍摄的红外图像。其中，X射线图像比其他图像都要小，这是因为极端高能电子所释放的X射线比低能电子所释放的光学和红外射线能量衰减速度要快得多。

一直以来，“蟹状星云”都是被人类研究最多的太空目标之一，它已经被科学家们看作是宇宙的形象代表。在过去十年间，钱德拉X射线天文台经常协同其他天文望远镜对“蟹状星云”进行联合观测。

研究现状

中国天宫二号在国内首次实现了利用观测到蟹状星云脉冲星的脉冲信号进行定轨，推动了脉冲星观测和导航技术发展。

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