一片新发现的星云让业余天文圈炸开了锅

图1 M31旁新发现的[OIII]星云的照片

这是一张最近火遍天文爱好者圈子的照片，它所拍摄的目标是离我们银河系最近的一个大质量星系——仙女座大星系，在梅西耶星云与星团列表中编号为M31。在夜空环境较好的地区，仅凭肉眼就能看到夜空中朦胧一团的M31。不论天文学家还是天文爱好者，对它是再熟悉不过了。然而最近，就在这张照片中，暴露了一个不为人知的巨大秘密！

早在1000年前，《恒星之书》中就有肉眼观测M31的记录，那时候它被称为“仙女座大星云”。公元1609年后，又有了望远镜观测记录，照相术发明后它自然而然地获得了许多天文学家和爱好者的青睐。直到100年前，天文学家哈勃发现了其中的一颗造父变星，经过距离的测定，才终于确定，它是位于我们银河系外独立的星系——距离达到约250万光年（银河系直径约10万光年），也是一个由上千亿颗恒星、气体、尘埃和不可见的暗物质组成的巨型天体系统。于是，从那时起，“仙女座大星云”更名为“仙女座大星系”，它也荣膺“肉眼可见最远的天体”称号。现在我们知道，它是我们银河系的近邻，也是本星系群的成员之一，未来40亿年后它将与我们银河系融为一体。

图2 手机直接拍摄的M31

再说回上面这张照片。对于不熟悉天文的人来说，或许这只是无数好看的天文美图之一。但是，请注意照片左上角那一大片蓝色的星云，这是它第一次呈现在世人面前。也就是说，在这张照片发布以前，全世界没有任何人、任何一架望远镜（无论业余的小望远镜还是专业的大望远镜）发现过它——尽管这个可能是最知名的星系已经被观测或拍摄了无数次。

2023年1月初，一个由德国业余天文学家马赛尔·德雷克斯勒（Marcel Drechsler）为代表的国际天文爱好者团队在一篇题为《发现M31附近的广延[OIII]发射》（见文后参考资料[1]）的文章中宣布，他们在M31仙女座星系旁发现了一片新的星云，命名为“STROTTNER-DRECHSLER-SAINTY OBJECT 1”。这片星云主要以电离氧发射为主，它在天空中的张角为1.5°，达到了满月的三倍。此事一出，立刻在国内各大天文爱好者群内激起了广泛而热烈的讨论。

图3 天文爱好者拍摄的M31与月亮视大小对比

这是一个爱好不亚于职业的励志故事

先来讲段故事。

2022年的8月，法国天文摄影师雅恩·圣提（Yann Sainty）开始了他对M31的拍摄。他使用了一台口径只有10.6cm的高桥FSQ-106ED望远镜，后端安装了振旺ZWO的ASI2600MM天文相机。他使用了传统的三原色RGB滤光片来获得彩色图像，并同时使用了Hα滤光片和[OIII]滤光片，希望更好地拍摄星系中的电离氢区和超新星遗迹。Hα读作氢阿尔法，是氢原子发出的波长为656.3纳米的光。[OIII]读作“氧三”，是氧离子在波长为500.7纳米处发出的光。（后文还会解释）

图4 天文摄影爱好者Yann Sainty

圣提是一位非常执着的天文摄影师，在8月到10月期间，他花费了22个夜晚对M31进行拍摄，最终获得了累积曝光24.6个小时的[OIII]图像、累积22.5 小时的Hα图像和累积2.5个小时的RGB图像。

喜欢深空摄影的朋友可能已经看出来圣提想追求极致的拍摄效果。他也咨询了好朋友，同样是天文爱好者的马赛尔·德雷克斯勒和泽维尔·斯特罗特那（Xavier Strottner），探讨曝光时间是否足够的问题。就在这时，他们注意到了[OIII]图像中，M31的旁边有一抹弧状结构！

图5 Marcel Drechsler的天文台个人主页

起初他们怀疑这是不是望远镜光学系统出了问题，比如滤光片中反射的鬼像（ghost image）。他们将望远镜指向了天空中另一片区域进行了曝光，随即排除了这种可能（如果是望远镜的问题，那么指向任何天区拍摄都会留下这个结构特征）。之后，半信半疑的他们又将望远镜对准了M31附近的那片天区，进行了与第一次拍摄几乎同样长时间（累积几十个小时）的曝光——那片星云再次出现在了[OIII]图像上。

这期间，他们把这个“发现”通过邮件告诉了美国天文爱好者布雷·福尔斯（Bray Falls）。于是，福尔斯同志在2022年9月到11月期间，使用他在加利福尼亚州远程天文台的高桥FSQ106ED望远镜和QHY600L相机对M31进行了累积时间超过100小时的曝光！并经过了一些特殊的数据处理技术，如使用[OIII]图像减去B波段图像来去除恒星辐射的影响。你猜怎样？那片星云很明显地在照片中显现了出来！（见参考资料[3]）即便如此，十分谨慎的团队还使用了位于法国洛林大区和美国新墨西哥州的望远镜又拍摄了两次，反反复复地确认了这片星云存在的真实性。

图6 Bray Falls和他的望远镜

最终，2023年1月9日，这个由天文爱好者为主的团队在天文摄影社区Astrobin网站公布了这一发现，立刻震撼了天文爱好者圈。(见文后参考资料[2])

图7

上图Yann Sainty在法国第一次拍摄的M31。

下图Bray Falls在美国第二次拍摄的M31。

什么是[OIII]滤光片？

接下来要进入硬核科普了。

不就是爱好者们花了老长老长的时间拍了一张非常美丽的照片嘛，为什么说引起了巨大的轰动呢？要知道，仙女座星系可是一个世纪以来被无数天文摄影师和专业天文台观测过的最著名的星系。它的旁边竟然存在一片从来没被人发现过的星云，你说震不震惊？就好似考古研究所的门口地下埋着一片历史文物，却被一个路过的业余爱好者意外发现了。

除了励志故事，这张照片背后还藏有哪些玄机呢？在上文中，我们反复提到了滤光片以及[OIII]，这才是重点。来了解一下相关的背景知识。

天上的大多数天体无时无刻都在发光，而现代物理学告诉我们，光是一种电磁波。其中，我们肉眼可见光的波长是介于380-750纳米之间的，不同波长的光的组合，会在人眼中呈现出不同的颜色。

图8 左图为恒星连续光谱，其中突然凹陷下去的被称为吸收[线]光谱；右图为星云的发射[线]光谱。

对于绝大多数的恒星来说，它们在整个可见光范围内都发光（在可见光以外也有电磁辐射，此处仅讨论可见光范围内），形成所谓的“连续光谱”，也就是说恒星的光包含着任何一个波长。恒星表面较冷的气体会“吃”掉特定波长的光，于是在连续的光谱上会出现“凹陷”，这就是“吸收线”。可是，对于某些由星际气体组成的星云物质来说，情况完全不同，它们会在某些特定的波长处发出较强的光，反映到光谱上就是一条一条支棱起来的线条，而不是连续的，这就是“发射光谱”或“发射线”。比如，星云里通常富含氢原子，它们会在656.3纳米的波长处发光，被命名为Hα发射线。656.3纳米在380-750纳米范围的可见光中波长偏长，也就是偏红色光。因电离而被剥夺了两个电子的氧离子会在500.7纳米（5007埃）和495.9纳米（4959埃）处发光,它们被命名为[OIII]5007和[OIII]4959发射线。除此之外，还有位于671.6和673.1纳米处的电离硫双线[SII]，436.3纳米的氢原子的Hβ发射线等等。在OIII外加上一个中括号 [ ] 是表示这条发射线理论上在地球实验室环境中是不存在的，被称为“禁线”。然而在宇宙高真空而又非完全真空的环境下，却能使一些元素的离子发射出相应的光。

通常，为了研究发出连续光谱的恒星，天文学家往往会使用能通过很大波长范围的宽带滤光片来观测，典型的代表有UBVRI等，事实上现在我们的手机和数码相机上也使用了类似的手段获得彩色图像，即在感光元器件前安装了只能透过红绿蓝RGB三原色的滤光片来成像。

图9 宽带滤光片与彩色合成原理

因为星云中各种元素的发射光谱更为显著，所以为了更好地研究星云物质，天文学家会使用窄带滤光片，即只允许星云发射线波长附近的光透过来，不看其他波长的光。例如，要研究氧元素（电离氧），就要装上[OIII]滤光片，这样只会允许500.7纳米附近的光透过。这类观测中的典型代表是哈勃望远镜拍摄的图像，哈勃望远镜会使用多个波段的滤镜进行拍摄，而为了呈现丰富多彩的星云世界，技术团队分别给[SII]、Hα和[OIII]滤光片所拍摄的单色图像赋予红、绿、蓝三种色彩，再将它们合成在一起，“P出”一张美丽的“伪彩色”照片。所以哈勃望远镜“看”到的星云和人眼看到的完全两码事。

图10 窄带滤光片与哈勃的创生之柱

哈勃美图在互联网上得到了广泛传播，现在已经成为了人类文化的一部分。此后业余天文摄影爱好者也开始模仿哈勃团队的这一色彩合成的可视化方法，给自己的星云摄影作品进行后期处理，这类作品还被大家亲切地称为“哈勃色”。当然这样处理也有一个缺点，因为滤掉了绝大部分光而只留下特定波长的光，所以拍摄往往需要累积很长的曝光时间。

但是，一般没有人会用这样的方法对待仙女座星系。因为它是类似我们银河系一样的由数千亿颗恒星组成的大型星系，它的大部分辐射是来自于发出连续光谱的恒星，因此大多数天文爱好者并不会使用成像效率较低的窄带滤光片来拍摄星系。不过话又说回来，也有部分爱好者会使用Hα滤镜对M31进行长时间的曝光，但是我们自己银河系内的氢原子发出的辐射，会像一层薄雾一样遮挡在我们的视线前方，如图1中的红色背景就是。而M31盘面上的一朵朵“小红花”，才是来自250万光年外的氢原子的Hα辐射。

专业的望远镜怎么从没发现它?

看到这儿，许多读者也许会有疑问——天文学家造了那么多厉害的望远镜，比如天上的哈勃望远镜，为什么从来没有发现过这个东西?笔者一开始也有这个疑问，于是去天文数据网站上查询了一下哈勃望远镜的历史数据，发现它对M31是有过[OIII]观测的。

图11 哈勃窄带观测过的M31范围(小黑框区域)

然而可惜的是，哈勃望远镜的视场实在是太小了，要知道M31的张角可是达到了肉眼看起来的满月6倍那么大，大约有3度，可对于视场约160-200角秒（1角秒为1度的1/3600）左右的哈勃望远镜的相机来说，每次观测M31只能观测其中很小的一部分。上图便是Aladin软件里截图的M31哈勃[OIII]窄带观测，背景是DSS巡天的彩色图像，前景中的一个个黑色小方框都是哈勃观测过的视场，零零散散地都没能覆盖全整个M31。换言之，哈勃望远镜的目标不是整个M31，而是其中极小的局部区域。此次新发现的星云，张角至少有半个M31那么大，因而在小视场的图像中很难被发现，一不小心就被当做了背景噪声。

另外，此次发现中业余天文爱好者所用的[OIII]滤镜，其带宽只有3纳米，而通常大型天文望远镜不会使用如此窄带宽的滤光片，比如位于夏威夷的CFHT望远镜（Canada-France-Hawaii-Telescope）也曾使用[OIII]滤光片对M31进行过观测，然而其使用的滤光片带宽是10.2纳米，且探测器的像素太小导致灵敏度不够，也许让这片星云的微弱信号给埋没了(这段解释来自参考资料[1],项目本身见参考资料[4])。打个比方，就好比你的收音机同时能收到许多个频道的信号，那你想听的频道可能就会被混在了其他频道的嘈杂声音中，更难被辨别出来。

图12 多波段的M31图像

不过专业天文学家对M31的观测和研究也没有停止过,从X射线到射电波段的观测都有开展，积累了丰富的多波段观测数据。哈勃望远镜的PHAT项目也曾对M31的一个角落进行过马赛克拼接观测（https://archive.stsci.edu/prepds/phat/,该网址可以下载原始数据,另见参考[5]）。最近几年，我国南京大学和厦门大学参与的HASHTAG项目也使用JCMT麦克斯韦望远镜对亚毫米波的M31开展了成像观测（https://hashtag.astro.cf.ac.uk/why.html,另见参考资料[6]），拓展了M31的多波段数据库。这个新发现的星云，说不定会让大规模的[OIII]窄带（巡天）观测（至少是在业余天文圈），在未来几年迎来爆发。

这片星云是个啥?

当我们发现了一片新的星云，很自然地会对它的来源产生疑问。我知道立刻会有读者想在评论区内大喊:“不要回答！不要回答！不要回答！”。先别急着去想这会不会是三体舰队留下的航迹，对于一个自然科学问题来说，从已知的客观事实找原因总是第一步，而外星人之类的解释永远是放在最后的。

在没有谱线红移的前提下，星云的[OIII]发射线位于波长500.7纳米和495.9纳米，这正好处在肉眼可见光的蓝绿色范围内，因此如果使用RGB滤光片对星云进行成像，照片里的电离氧发射区会呈现为蓝绿色。

图13 星云被色散开来的光谱

星云要想发光，除了需要含有相关的化学元素之外，还需要能量的来源，就如同灯泡想发光，就需要通电一样。通常星云发光的能量来自于周围的天体。根据星云物理的“光致电离”模型，要求其温度大于60000开尔文，才会激发产生[OIII]的辐射。在目前人类已知的能发出[OIII]辐射的天体中，其来源大概有以下这么几种。让我们一个个看看，它们中的哪些可能是“嫌疑人”。

首先，恒星形成区。这类星云又被叫做“电离氢区”，一些刚诞生的大质量高温恒星，会发出强烈的紫外辐射，成为了星云发光的能源。这些强烈的紫外线电离了周围原子的部分核外电子，原本好端端围着原子运动的电子被逼出了家门，有些电子并不甘心，又使劲儿回到原子核的身旁，这是需要付出努力的，它从较高的能级跳跃到较低的能级，这能量差便转换为了某个波长的光，星云也就发出了对应的发射线，[OIII]便是其中之一。下图是著名的电离氢区猎户座大星云。不过，一般电离氢区里的主角毫无疑问是氢啊！它们强烈的Hα发射应该是偏红色。

图14 著名电离氢区：猎户座大星云

第二，行星状星云。类似于太阳的小质量恒星在死亡的时候会慢慢膨胀自己的气体外壳，而其核心会坍缩变成一颗地球大小的白矮星，这些白矮星也会给周围的气体提供发光的能量。如下图是M57天琴座环状星云，其中心蓝色的光，便是星云中的[OIII]辐射，而周围的红色光是Hα辐射。本文主角M31旁的新星云，其[OIII]强度要远大于Hα。德雷克斯勒等人检查了周围，发现并没有能够将这片星云加热到这一温度的白矮星存在，行星状星云的嫌疑似乎也被排除了。

图15 行星状星云:天琴座环状星云

第三，一种罕见星云。当一个大质量恒星（大于25倍太阳质量）接近死亡时，它会变成一个沃尔夫-拉叶星（Wolf-Rayet star），这类恒星以“星风”的形式将自己的气体外壳吹出，形成了一个“沃尔夫-拉叶”星云（WR nebula），下图便是一个典型的代表sh2-308，俗名“海豚头星云”，其蓝色的外壳主要来自于窄带的[OIII]。不过，发现者团队所发表的文章中并没有讨论这一种可能，或许是因为沃尔夫拉叶星云的核心一定会有一颗明亮的沃尔夫-拉叶星，而沃尔夫拉叶星在银河系中是较为罕见的，目前只发现了667个。

图16 沃尔夫-拉叶星云:海豚头星云

第四，超新星遗迹。大质量的恒星会以极其灿烂的爆炸方式结束自己的生命，爆炸产生的冲击波会快速的往外扩展，并加热其中的气体物质，慢慢形成所谓的“超新星遗迹”。这些超新星遗迹也会发光，产生气体发射线。下图为超新星遗迹NGC2736铅笔星云的窄带观测图像，似乎和我们新发现的星云长得还有点像。

图17 超新星遗迹:铅笔星云

星云发现者团队也在文章中表示，他们在检查了从X射线到射电的专业望远镜巡天数据后，包括了X射线（ROSAT空间望远镜）、紫外（GALEX空间望远镜）、红外（IRAS/IRIS空间望远镜, Planck卫星）、光学(DSS数字化巡天项目, SDSS斯隆数字巡天项目）和射电（VLA甚大阵、FIRST空间望远镜），但均未看到这片星云的存在。按理说超新星遗迹通常会有覆盖多个波段的电磁辐射，因此超新星遗迹的可能性也变低了。（不过笔者认为巡天数据的曝光时间可能太短了，不足以探测到如此暗弱的存在。）

图18 多波段的超新星遗迹:蟹状星云

第五，星流。考虑到这片星云的尺度，如果真在M31附近，那是难以想象的。我们上述推测的几个可能性也都只是星云的尺度，因此看起来它更应该像是银河系内的东西，只是碰巧出现在了M31的视线方向上。发现团队成员检查了欧空局天体测量卫星Gaia的数据，发现似乎有一群恒星移动的方向正好指向了这片星云。于是他们还认为，或许它有可能来自于M31和银河相互作用而产生的恒星星流。记得我们前文提到过M31最终会与银河系合二为一，而事实上，可能两者现在就已经有物质交换了。

图19 M31的星流

第六，黑洞吸积。除了上述的可能性以外，还有一种剧烈的天体现象也会产生强烈的[OIII]辐射，发现者团队的文章并没有提到这种可能——即和银河系中心黑洞曾经的活动有关。目前的天文观测发现，许多星系的中心会发出极其明亮而耀眼的光芒，这种现象被称为“活动星系核”，其被解释为星系中心的超大质量黑洞贪婪地吸积周围的气体和物质时，吸积盘上的高温物质便会发出足以电离周围星云气体的光，这些被“照亮”的星云物质同样会发出非常强烈的[OIII]辐射。

图20 活动星系核NGC4151的窄线区星云

上图的左侧是哈勃望远镜WFC3相机观测的一个活动星系核NGC4151的彩色图像，其中心区域可见一片淡淡的蓝色锥形区域，而右图是哈勃望远镜使用[OIII]5007滤光片所观测的单色图像，这片被照亮的星云物质，学名为活动星系核的“电离锥”，通常被称之为活动星系核的“窄线区”。除此之外，与沃尔夫-拉叶星吹出星风相似，超大质量黑洞活动还会导致大量的气体从中心被吹出来，这些外流的气体也可能发出[OIII]辐射，并可能影响周围星系中恒星的形成，这一研究课题是目前天体物理领域的热点，被称之为“活动星系核反馈”或“星系与中心黑洞的共同演化”。最近，厦门大学的研究团队在另一个天文爱好者非常熟悉的星系M51b里也发现了[OIII]气体的结构，它有可能就是被M51b中心曾经的活动星系核所照亮的（见参考资料[7]）。那么，我们的银河系中心黑洞是否曾经也活跃过，在他绽放的青春中，可否留下这一缕青丝?

当然，上面说了那么多都还只是猜想，关于这片星云是什么还远不到可以下定论的时候。据说，进一步的光谱观测还在有序进行中，希望有一天能揭示出这片神秘星云的起源故事。

天文爱好者还能做出什么发现

在科学研究已经高度专业化的今天，业余的天文爱好者想要做出什么发现似乎变得很难很难。然而，其实也并不是这样，由于我们的宇宙实在是太大了，职业天文学家并没有足够的时间和精力去检查所有的数据，因此，没有被发现的东西和现象，也许还有很多。

随着技术的发展，如今的业余天文爱好者也能用自己手头的望远镜和相机拍摄出媲美专业望远镜观测的天体图像，这类被称作“深空摄影”的活动如今被越来越多的人所参与。你可以在巡天客小程序中看到国内天文爱好者发布的天文摄影作品。然而，爱好者做天文摄影更多追求的是“好看”，而职业天文学家做天文观测，更多是为了研究背后的科学。因此，天文爱好者和职业天文学家之间互动和交流并不多。

图21 巡星客天文社区截图

本次发现团队里的马萨尔·德雷克斯勒却是一位将深空摄影与天文发现做出了良好结合的天文爱好者。在此次发现M31的[OIII]星云之前，他本人其实已经发现了许多“行星状星云”，在其个人的Astrobin主页上，动不动就会出现以“New discovery”为题目的作品。因此，这次的发现对他来说，背后是多年的付出和经验。

图22 Marcel Drechsler的Astrobin主页截图

除了这片新的星云之外，本次发现公开的图像上还能看到很多首次发现的有趣结构，比如上图中的一根“柱子”和一朵“花”，笔者为此专门咨询了研究M31的科研人员，也表示之前并没有注意到过这一结构。

图23 M31上的[OIII]“柱子”和“花”

不得不说，虽然天文学家已经在世界各地建立了各种大型的望远镜，然而由于竞争激烈，僧多粥少，专业望远镜通常很难提供长达几个小时甚至几天的观测时间去对着一片区域进行深度曝光或者长时间监测，更别说像这几位朋友一样累积100多小时的曝光时间。所以从这点来说，业余天文学家或天文爱好者们能够以时间优势换取口径的不足。

图24 星系周围的星流

天文爱好者通常有足够的耐心对一个区域进行长时间的曝光，越长时间的曝光获得的数据质量会越好，能看到更暗弱的天体。因而，“低表面亮度”科学或许是业余爱好者做出新发现的一大舞台（见参考资料[8]）。比如上图中，许多星系的周围会有条状的纤维结构，这些东西呢，是星系周围的“星流”。在星系演化过程中，大星系旁边的卫星星系或星团会被中心星系的引力撕裂，这些“星流”便是这一残酷历史事件产生的遗迹，由于他们实在是太暗弱了，其中不少是在业余天文摄影师的坚持的拍摄帮助下而发现的。

除此之外，变星、超新星、小行星等新天体的搜寻发现也是业余爱好者发挥的舞台。国内以业余天文台星明天文台为代表的团队便在这一领域做出了大量的新的发现，其与国家天文台合作的“公众超新星搜寻项目”（https://nadc.china-vo.org/psp/），也能让每一个人拥有参与天文发现的机会。

图25 星明天文台公众超新星搜寻项目

家里买一套价值上千上万的天文望远镜必然也不是每一个业余天文爱好者所能承受的，不过好消息是，大多数专业天文台的数据都是对全世界公开的。更有些观测项目会组织“公众科学”项目，其中的代表是专注于星系分类的“星系动物园”项目（https://www.zooniverse.org/projects/zookeeper/galaxy-zoo/classify）。比如在2007年，一位荷兰的女老师哈尼·冯·阿科尔注意到星系动物园里公开的一个星系IC2497图像周围，有奇怪的绿色物质，这类天体后来被命名为“哈尼天体”，科学家们认为这些物质可能是被类星体（活动星系核的一种）所照亮的气体，发出了强烈的[OIII]发射线（见参考资料[9]）。（嗯...倒似乎和今天的主角星云有点类似呢。）

图26 左图：星系动物园；右图：哈尼天体

宇宙很大，未知的事情很多，无论身处何地，全人类都仰望着同一片星空。对于这片星空的探索，每一个有心人都有机会。希望未来，热情的业余爱好者和职业天文学家的合作越来越多，当情怀、动力与扎实的专业知识相互配合，又能做出什么新的科学发现呢?