夜空中的寶藏：獵戶座大星云

作者|王思亮

審核|董晨暉

編輯|趙經(jīng)遠(yuǎn)

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的獵戶座大星云（圖源：NASA）

當(dāng)我們望向冬季夜空中顯眼的獵戶座，會注意到連成一線的三顆星構(gòu)成的“腰帶”，而在“腰帶”之下的“佩劍”處，有一個著名的深空奇觀，那就是獵戶座大星云，它在梅西葉星表中的編號為M42及與之鄰近的M43。獵戶座大星云在黑暗的環(huán)境下肉眼可以辨認(rèn)，如果用小型望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)那里，第一眼看到的可能是外觀類似飛鳥的彌漫光斑。對于擁有眾多深空奇觀諸如馬頭星云、火焰星云、跑步人星云、巴納德環(huán)等天體的獵戶座，顯眼的獵戶座大星云脫穎而出，成為天文愛好者（無論是新手還是資深的觀測者）最喜愛觀測的深空天體之一。若論深空天體的最初印象，或許只有明亮的環(huán)狀星云M57、全天最大的球狀星團(tuán)歐米伽星團(tuán)NGC 5139等少數(shù)幾個令人稱奇的深空天體可以與之相比較。由于獵戶座大星云位于十分具有辨識度的獵戶座寶劍處，且其亮度足以在光害嚴(yán)重的城市中用小型望遠(yuǎn)鏡觀察到，因此經(jīng)常被推薦為入門必看的深空天體之一。

獵戶座大星云位置（圖源Stellarium）

獵戶座大星云在天空中的位置為赤經(jīng)05h35m16.8s，赤緯-05°23′24″（歷元J2000），屬于冬季星空中的深空天體，對于國內(nèi)來說，它在上中天時的地平高度可以達(dá)到30度以上，再加上它的視星等約為4等，因此往往是3月份進(jìn)行梅西葉馬拉松時可以輕松找到的前幾個天體，甚至在天空尚未完全變暗時，就已經(jīng)可以用望遠(yuǎn)鏡從暗藍(lán)色的天空背景中輕松辨別出來。它的視大小約為66角分×60角分，視面積約為1平方度，是滿月的四倍大，核心區(qū)峰值表面亮度可達(dá)到17等/平方角秒。獵戶座大星云的絕對星等為-4.1等，距離地球約1344光年，是距離最近的恒星形成區(qū)。其天體編號除了M42，還有NGC 1976、Sh2-281、LBN 974、Ced 55d等。因其是獵戶座方向一個明亮的射電源，因此也被稱為“獵戶座A”。

惠更斯繪制的圖像（圖源：奧克拉荷馬大學(xué)圖書館）

在中世紀(jì)及更早的已知文獻(xiàn)中，均沒有明確提到獵戶座大星云的記錄，但是其中最亮的恒星獵戶座θ卻已被編入星表。對該星云最早的明確記錄出現(xiàn)在1610年至1611年間，當(dāng)時法國天文學(xué)家尼古拉斯·佩雷斯克首次記錄了這個星云的發(fā)現(xiàn)。之后許多天文學(xué)家也分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了它，包括瑞士天文學(xué)家約翰·西薩圖斯、意大利天文學(xué)家喬瓦尼·霍迪爾納等人。1656年，荷蘭天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯再次獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了它，并繪制了該星云中心區(qū)域的詳圖，在此之后獵戶座大星云變得廣為人知。1769年3月4日，法國天文學(xué)家查爾斯·梅西葉在他的星表中將該星云記錄為第42個和第43個天體。英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾用48英寸望遠(yuǎn)鏡觀測后稱之為“一片未成形的火霧，乃未來太陽之混沌初材（an unformed fiery mist, the chaotic material of future suns.）”，他的兒子約翰·赫歇爾將該星云描述為“破碎的魚鱗天（breaking up of a mackerel sky）”。1880年，美國業(yè)余天文學(xué)家亨利·德雷伯使用11英寸望遠(yuǎn)鏡成功拍攝了獵戶座大星云核心區(qū)域的照片，這是人類獲得的第一幅星云照片；三年后，英國業(yè)余天文學(xué)家安德魯·康芒獲得了更大視場的圖像。

德雷伯（左）和康芒（右）拍攝的獵戶座大星云（圖源：wikipedia）

獵戶座大星云雖然往往是初學(xué)者觀測的第一個深空天體，但其形態(tài)結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，即便對于老手也值得反復(fù)辨認(rèn)。下面的結(jié)構(gòu)圖是由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的，筆者對其進(jìn)行了翻譯，這張圖像揭示了該星云驚人的細(xì)節(jié)。其中最亮的核心區(qū)域被稱為惠更斯區(qū)，在其東北側(cè)有一塊凹陷進(jìn)去的暗星云，被稱為“魚嘴”或“大海灣”，圖中也可見迪馬倫星云M43、構(gòu)成火鳥翅膀的南翼和北翼等結(jié)構(gòu)。

獵戶座大星云結(jié)構(gòu)詳解（圖源：參考資料13；筆者翻譯）

在不同的光污染環(huán)境下，目視觀測獵戶座大星云的效果也有所不同，在一般環(huán)境下看到的往往是一只展翼的“大鳥”，而在極品環(huán)境下則類似數(shù)字化巡天（Digital Sky Survey，DSS）所呈現(xiàn)的戒指般的環(huán)狀形態(tài)。由于其核心區(qū)存在較亮的恒星，因此進(jìn)行天文攝影時需要注意控制曝光量，以免過曝。因此它雖然是初學(xué)者最容易成像的天體之一，但實(shí)際上比一般天體處理要更復(fù)雜，需要混合疊加不同曝光時間的圖像以保持整體外觀的均衡，并使核心區(qū)不至于過曝。

DSS巡天圖像（圖源：Stellarium）

惠更斯區(qū)包含的雙星獵戶座θ的角距離達(dá)到135″，算是很寬的雙星，其中的獵戶座θ1便是著名的四邊形星團(tuán)，如下圖。四邊形星團(tuán)是一個疏散星團(tuán)，其中的年輕恒星幾乎都是變星，它最明亮的4顆成員星分別被編號為A、B、C、D，即使用小口徑望遠(yuǎn)鏡也能輕松分辨；而其他暗于10等的成員星（如E、F等）雖然也在業(yè)余望遠(yuǎn)鏡能力范圍之內(nèi)，但需要更好的觀測條件才能看到（建議望遠(yuǎn)鏡的放大倍率超過100倍）。四邊形星團(tuán)被惠更斯區(qū)包裹著，直到未來星云消散，我們才能欣賞到這個壯觀星團(tuán)的全貌。

四邊形星團(tuán)圖示（圖源：Sky & Telescope）

1995年，萊斯大學(xué)的天體物理學(xué)家Zheng Wen和C. R. O'Dell創(chuàng)建的三維模型顯示，惠更斯區(qū)的恒星發(fā)出的輻射正在侵蝕周圍的星云物質(zhì)，四邊形星團(tuán)則懸浮在它們所創(chuàng)造的“山谷”上方，東南側(cè)鄰接著陡峭的懸崖，而西部上方則懸著名為“魚嘴”的暗星云。四邊形星團(tuán)使龐大的獵戶座分子云電離發(fā)光，形成了我們所見的獵戶座大星云，這個龐大的分子云覆蓋著獵戶座，還囊括了馬頭星云、火焰星云、M78和巴納德環(huán)等等，并且處在一個更大的獵戶-波江超級氣泡里。因此，在天文攝影中，除了拍攝該區(qū)域部分星云的特寫，還可以結(jié)合周邊星云形成廣角構(gòu)圖，進(jìn)行廣域深空拍攝。

獵戶座大星云核心區(qū)的三維建模（圖源：Sky & Telescope）

發(fā)射星云是一團(tuán)因電離而發(fā)光的氣體云，因此其附近必須存在發(fā)射大量高能紫外輻射的恒星。這些恒星熱而明亮，它們輻射的紫外波段光子將星云中的中性氫原子（H I）中的電子剝離，從而產(chǎn)生自由電子和氫離子（H II - 基本上是自由質(zhì)子）。電子被紫外光子剝離的時候會吸收能量，當(dāng)它重新被氫離子核俘獲時，先前吸收的能量便會以較低能量光子的形式釋放出來，這些光子的波長相對固定。其中特別常見的是當(dāng)電子從第三個能級殼層躍遷到第二個殼層時，所發(fā)射出的波長為6563埃的光子，它也被稱為“Hα線”，顏色呈現(xiàn)紅色，這是許多發(fā)射星云（如玫瑰星云、礁湖星云和鷹狀星云）在照片中呈現(xiàn)出明顯紅色的原因。星際氣體云主要由氫組成，但它們還包含氦以及微量的碳、氮、氧、硫、氖、氯和其他元素。當(dāng)氣體的溫度和密度合適時，來自其他元素的電離發(fā)射線可以與Hα線的強(qiáng)度相競爭。獵戶座大星云在目視時呈現(xiàn)綠色的外觀，就是由于氧的雙電離輻射在肉眼較為敏感的4959和5007埃波長處發(fā)生。下圖是光譜儀獲得的獵戶座大星云中心區(qū)域光譜圖，除了氫原子發(fā)出的Hα、Hβ和Hγ發(fā)射線外，還可以看到電離氧原子發(fā)出的強(qiáng)烈的O III發(fā)射線，以及由電離氮（N II）和中性氦（He I）等產(chǎn)生的弱發(fā)射線。

獵戶座大星云發(fā)射光譜（圖源：參考資料14）

使用LRGB或者SHO濾鏡對獵戶座大星云進(jìn)行攝影，后期合成往往能得到絢麗多彩的圖像，因此大家可能會先入為主地認(rèn)為，目視觀測也會呈現(xiàn)類似的“五顏六色”。但由于人眼對O III的綠光比Hα的紅光敏感，因此在提到顏色的目視報告中，往往會將其描述為青綠色。但據(jù)一些資深觀察者（如Steve Gottlieb和S.J. O'Meara）多次描述，目視觀測也有可能會觀察到一部分微妙的紅色，而非單一色調(diào)。

由于獵戶座大星云的譜線較為單一，因此可以使用對人眼敏感波段透過率高的濾鏡（例如UHC或者O III濾鏡）進(jìn)行目視觀測，以抑制光污染的不利影響，增強(qiáng)星云的對比度。據(jù)Dave Knisely使用Lumicon的Deep-Sky、UHC、O III以及Hβ濾鏡的測評記錄，相比無濾鏡而言，UHC濾鏡的對比度大幅度提升，效果最好；帶寬更窄的O III濾鏡對比度更高且內(nèi)部細(xì)節(jié)更好，次之；Deep-Sky增強(qiáng)效果不如前2個；Hβ濾鏡對整體效果不如其他濾鏡，但對M43的觀測效果比其他濾鏡好，使其細(xì)節(jié)脫穎而出，甚至可見一些微紅色。但要注意的是，如Lumicon UHC等備受觀測者喜愛的濾鏡，它們的光譜帶寬與國內(nèi)常見的UHC濾鏡不一樣，因此不能簡單類比。目前國內(nèi)已經(jīng)開始流行使用Hα和O III雙譜線5nm窄帶濾鏡，搭配白磷無膜管夜視儀，直焦到長焦鏡頭或者天文望遠(yuǎn)鏡上，目視可以取得十分良好的效果，細(xì)節(jié)超出相同環(huán)境下肉眼觀測，一般所見即所得，如下圖是筆者在5級光污染地區(qū)使用手機(jī)拍攝的，目視效果與之類似。

筆者使用夜視儀接DOB8通過手機(jī)拍攝的獵戶座大星云

對于觀測者來說，獵戶座大星云無疑是北半球冬季夜空中最易觀測的發(fā)射星云。與雨水豐沛的夏季不同，冬季往往意味著冷空氣、晴朗、干燥和透明，通常擁有更好的觀測條件。不過天文愛好者需要頂著嚴(yán)寒進(jìn)行觀測和拍攝，自然需要一番熱愛及毅力，這顆在獵戶的寶劍上閃爍著的“鉆石”，靜靜等待著對天空懷抱好奇心的每一雙眼眸。

參考資料

[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，F(xiàn)ilter 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] 喻園天文，M42 獵戶座大星云結(jié)構(gòu)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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