Cách thức hoạt động của tinh vân

Tàu thăm dò không gian Pioneer 10 được phóng vào ngày 3 tháng 3 năm 1972. Sau một hành trình xuyên qua hệ mặt trời của chúng ta , nó tiến vào không gian sâu, trên quỹ đạo sẽ đưa nó đến Aldebaran, một ngôi sao nằm trong chòm sao Kim Ngưu. Pioneer 10 sẽ gặp phải điều gì khi thực hiện cuộc hành trình kéo dài hai triệu năm xuyên không gian giữa các vì sao? Hư vô? Ngăn ngừa? Đen hoàn toàn?

Tinh vân STScI và NASA cho phép
, chẳng hạn như Tinh vân Đồng hồ cát có thể truyền cảm hứng cho sự kinh ngạc và ngạc nhiên. Xem thêm hình ảnh tinh vân .

Trên thực tế, khoảng trống lớn tồn tại giữa Mặt trời và Aldebaran không hề trống rỗng. Nó chứa đầy bụi và khí, cái mà các nhà thiên văn gọi là vật chất giữa các vì sao. Đôi khi, vật chất giữa các vì sao này được thu thập theo cách mà nó có thể nhìn thấy đối với những người quan sát trên Trái đất , dưới dạng một đám mây phát sáng hoặc như một hình bóng tối trên nền sáng hơn. Những đám mây này là tinh vân. Một đám mây như vậy là một tinh vân, tiếng Latinh có nghĩa là "sương mù" hoặc "đám mây".

Cho đến thế kỷ 20, các nhà thiên văn học sử dụng thuật ngữ tinh vân để mô tả bất kỳ vật thể giống như đám mây phát sáng nào được quan sát từ Trái đất. Các kính viễn vọng thời đó tiết lộ rất ít chi tiết về những vật thể này, nhưng các nhà thiên văn có thể nhìn đủ để biết rằng những tinh vân này có các hình dạng khác nhau. Một số được gọi là tinh vân xoắn ốc ; những người khác được gọi là tinh vân hình elip . Sau đó, vào những năm 1920, nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Powell Hubble, sử dụng kính thiên văn mạnh nhất trong ngày của mình, đã phát hiện ra rằng nhiều vật thể được cho là những đám mây mơ hồ, không rõ ràng thực chất là các thiên hà. Cụ thể, ông quan sát thấy tinh vân xoắn ốc Andromeda thực sự là một thiên hà xoắn ốc .

Ngày nay, các nhà thiên văn học biết rằng các thiên hà và tinh vân là những vật thể độc đáo với những đặc điểm khác nhau. Tuy nhiên, sự phân biệt này không đủ để giải thích đầy đủ các tinh vân là gì và chúng hoạt động như thế nào. Bài viết này sẽ vượt ra ngoài định nghĩa cơ bản để cung cấp một cái nhìn tổng quan kỹ lưỡng hơn về tinh vân - chúng là gì, cấu tạo từ chúng, vị trí của chúng và hoạt động của chúng. Bước đầu tiên của chúng ta là tìm hiểu vị trí của tinh vân trong thiết kế vĩ đại của vũ trụ.

1. Tinh vân trong Hệ thống phân cấp vũ trụ
2. Các loại tinh vân
3. Tinh vân như là các địa điểm hình thành sao
4. Tinh vân trong cảnh Sao hủy diệt
5. Tương lai của nghiên cứu tinh vân

Để hiểu vị trí của các tinh vân trong vũ trụ, sẽ rất hữu ích nếu bạn suy nghĩ như một nhà thiên văn học. Các nhà thiên văn học hiểu về vũ trụ bằng cách tổ chức nó thành một loạt các cấp độ "lồng vào nhau". Tinh vân, là những vật thể khổng lồ theo đúng nghĩa của chúng, chiếm một cấp ở giữa hệ thống phân cấp này. Đây là trình tự: Các siêu đám tạo thành cấp cao nhất, tiếp theo là các cụm, thiên hà , tinh vân, hệ sao , các ngôi sao, hành tinh và mặt trăng . Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn từng cái, sử dụng hình minh họa bên dưới làm hướng dẫn.

• Siêu đám bao gồm một số cụm thiên hà. Chúng đại diện cho cấp cao nhất của hệ thống phân cấp vũ trụ và là những vật thể lớn nhất trong vũ trụ. Một số có kích thước lớn tới 100 triệu năm ánh sáng . Một năm ánh sáng là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi trong một năm. Vì ánh sáng di chuyển với tốc độ 300.000 km / giây nên nó có thể bao phủ 9,46 nghìn tỷ km trong một năm. Con số này tương đương với 5,88 nghìn tỷ dặm. Ví dụ về siêu đám bao gồm Xử nữ, hoặc Địa phương, Siêu đám; Supercluster Hôn mê; Siêu lớp Hercules; Siêu lớp Perseus; và Southern Supergalaxy.
• Cụm thiên hà là một nhóm các thiên hà di chuyển cùng nhau. Chúng có thể chứa hai hoặc ba thiên hà, hoặc chúng có thể có hàng nghìn thiên hà. Thiên hà nhà của chúng ta, Dải Ngân hà , là một phần của một cụm được gọi là Nhóm Địa phương. Thiên hà láng giềng gần nhất của chúng ta, Thiên hà Tiên nữ, cũng thuộc Nhóm Địa phương, cũng như một số thiên hà khác.
  


• Tiếp theo trên quy mô là các thiên hà , cái mà các nhà thiên văn từng gọi là vũ trụ đảo . Tất nhiên, chúng không phải là những vũ trụ riêng lẻ, mà là tập hợp của các ngôi sao, khí và các hạt bụi. Chúng có nhiều hình dạng khác nhau - xoắn ốc, elip và không đều - và rất khác nhau về kích thước. Dải Ngân hà là một thiên hà xoắn ốc có chiều dài từ 70.000 đến 100.000 năm ánh sáng [nguồn: NASA ].
  


• Các tinh vân được tìm thấy bên trong các thiên hà, lấp đầy khoảng trống giữa các ngôi sao hoặc bao bọc các ngôi sao như một chiếc áo choàng. Chúng được tạo thành từ bụi và khí và có thể xuất hiện dưới dạng những đám mây sáng hoặc tối. Khí chủ yếu là hydro có lẫn một ít heli. Trên thực tế, các nhà thiên văn học đôi khi phân loại tinh vân dựa trên loại hydro mà chúng chứa: Tinh vân H + chứa hầu hết là hydro ion hóa (nguyên tử hydro trong đó các điện tử đã bị loại bỏ); Tinh vân HI chứa hầu hết là hydro trung tính; và tinh vân H II chứa hydro tồn tại ở dạng phân tử (H ₂ ). Thành phần chính khác của tinh vân - bụi - bao gồm các hạt mịn chứa carbon, silicon, magie, nhôm và các nguyên tố khác.
  
  Bụi và khí của một tinh vân được phát tán rất mỏng. Một đám mây đơn chứa ít nguyên tử trên một inch khối hơn một làn khói. Tuy nhiên, bởi vì một đám mây duy nhất có kích thước lớn, trải dài nhiều năm ánh sáng, nó có thể làm mờ hoặc chặn các vật thể khác ở phía sau nó.


• Tiếp theo là các hệ sao , như hệ mặt trời của chúng ta. Một hệ sao có thể dài từ một đến hai năm ánh sáng, tùy thuộc vào số lượng hành tinh mà nó chứa. Trung tâm của một hệ thống như vậy là một ngôi sao , một thiên thể tạo ra năng lượng bằng các phản ứng nhiệt hạch. Một tinh vân duy nhất có thể được liên kết với nhiều ngôi sao. Ví dụ, Tinh vân Đại bàng là nơi có cụm sao M16, một tập hợp của hàng trăm ngôi sao trẻ, sáng. Mặt trời của chúng ta, một ngôi sao cỡ trung bình, ở độ tuổi trung bình, già hơn nhiều so với những ngôi sao nằm trong Tinh vân Đại bàng. Các ngôi sao nổi tiếng khác bao gồm Alpha Centauri, Proxima Centauri và Sirius.
  
  
  

  
  NASA và STScI được phép
  Hình ảnh về Tinh vân Đại bàng cho thấy nhiều tinh cầu chứa các ngôi sao phôi.

Cuối cùng, ở cấp độ phân cấp vũ trụ khó hiển thị trên quy mô của chúng ta, chúng ta có các hành tinh và mặt trăng - chỉ là những đốm sáng so với tinh vân. Các tiểu hành tinh, sao chổi và thiên thạch thậm chí còn nhỏ hơn, có kích thước từ mặt trăng nhỏ đến đá lớn.

Các nhà thiên văn học thường phân loại tinh vân thành hai loại lớn - sáng và tối . Các tinh vân sáng đủ gần với các ngôi sao lân cận mà chúng phát sáng, mặc dù phương pháp chúng tạo ra ánh sáng đó phụ thuộc vào hai yếu tố. Đầu tiên là khoảng cách của một tinh vân với ngôi sao , và thứ hai là nhiệt độ của ngôi sao. Khi một tinh vân ở rất gần một ngôi sao nóng, nó có thể hấp thụ một lượng lớn bức xạ tia cực tím. Điều này làm nóng khí lên khoảng 10.000 Kelvin (9.726 độ C hoặc 17.540 độ F). Ở nhiệt độ khắc nghiệt như vậy, khí hydro trở nên kích thích và phát sáng với ánh sáng huỳnh quang . Các nhà thiên văn gọi loại tinh vân này là tinh vân phát xạ. Tinh vân Lớn trong Orion (M42) là một tinh vân phát xạ cổ điển.

Được phép của NASA và STScI
Tinh vân Orion là một tinh vân phát xạ. Nó được chiếu sáng và đốt nóng bởi bốn ngôi sao lớn được gọi là Trapezium, nằm gần trung tâm của bức ảnh.

Đôi khi, một tinh vân ở xa một ngôi sao hơn hoặc ngôi sao không nóng bằng. Trong trường hợp này, bụi của đám mây hình cầu phản chiếu ánh sáng, giống như ánh nến phản chiếu màu bạc bị xỉn màu. Hầu hết các tinh vân phản xạ có màu hơi xanh vì các hạt ưu tiên tán xạ ánh sáng xanh. Tuy nhiên, một số ít phản xạ mạnh ánh sáng của ngôi sao chiếu sáng chúng. Cụm sao Pleiades ở Kim Ngưu chứa một số tinh vân phản chiếu.

Các tinh vân tối không đủ gần với các ngôi sao để được chiếu sáng. Chúng chỉ hiển thị khi có thứ gì đó
sáng hơn - chẳng hạn như một cụm sao - cung cấp phông nền. Đôi khi, tinh vân tối xuất hiện dưới dạng làn đường, ngõ hẻm hoặc hình cầu bên trong tinh vân sáng. Tinh vân Trifid là một tinh vân phát xạ màu đỏ rực rỡ, dường như được chia thành ba vùng bởi các ngõ bụi tối. Tinh vân Đầu ngựa trong Orion cũng là một tinh vân tối, cũng như dải tối lớn chia Dải Ngân hà thành hai dọc theo chiều dài của nó.

Được phép của NASA và STScI
Tinh vân Đầu ngựa là một tinh vân tối nằm ở Orion. Nó chỉ được nhìn thấy bởi vì nó nằm trên một nền sáng hơn.

Ngoài việc được phân loại sáng hoặc tối, các tinh vân cũng nhận được tên gọi. Charles Messier, một nhà thiên văn học người Pháp, bắt đầu lập danh mục các vật thể phi sao vào thế kỷ 18. Thay vì sử dụng tên, anh ấy đã sử dụng số. Vật thể đầu tiên mà ông liệt kê là Tinh vân Con cua ở Kim Ngưu, được ông đặt tên là Messier-1, hay M-1. Ông đã chỉ định Tinh vân chiếc nhẫn M-57. Các thiên hà cũng lọt vào danh sách của anh ấy. Thiên hà Andromeda, vật thể thứ 31 mà ông ghi lại, trở thành M-31. Vào thế kỷ 19, các nhà thiên văn nghiệp dư đã đặt tên chung cho hầu hết các vật thể Messier, dựa trên hình dạng của chúng. Đó là cách mà những cái tên như Tinh vân Quả tạ, Tinh vân Đầu ngựa và Tinh vân Cú đi vào từ điển thiên văn. Một số tinh vân, chẳng hạn như Tinh vân Orion, được đặt tên theo chòm sao mà chúng dường như là một phần của nó.

Tuy nhiên, có rất ít cái tên gợi ý về vai trò quan trọng của các tinh vân trong vũ trụ. Ở trang tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu rằng tinh vân còn làm được nhiều điều hơn là phát sáng đẹp đẽ trên bầu trời đêm.

Sơ đồ phân loại được mô tả ở trên, trong khi hữu ích, dường như ngụ ý rằng một tinh vân là không đổi và không thay đổi, tồn tại ở một trạng thái mãi mãi. Đây không phải là trường hợp. Các tinh vân sáng và tối khác nhau thực sự đại diện cho các giai đoạn khác nhau trong quá trình tiến hóa sao. Hãy cùng xem xét quá trình tiến hóa này để hiểu cách các tinh vân đóng vai trò như một cái nôi hình thành sao .

Tinh vân Tối: Hạt giống được trồng

We already know that nebulae are low-density clouds . We also know, intuitively, that stars are very dense objects. If a nebula is to act as a birthplace to stars, then its building-block materials -- dust particles and hydrogen and helium gas -- must be pulled together and compressed into a relatively small "ball" of matter. As it turns out, this condensation process occurs in various regions throughout dark nebulae (reflection nebulae, as well, which are really nothing more than dark nebulae that reflect the light of nearby stars).

Gravity is the force that drives condensation. As a ball of dust and gas contracts under its own gravity, it begins to shrink and its core begins collapsing faster and faster. This causes the core to heat up and to rotate. At this stage, the condensed material is called a protostar. One nebula may have many protostars, each of which is destined to be an individual stellar system.

Some protostars have less mass than our sun. They're so small that they can't initiate the thermonuclear reactions so typical of stars. Even still, these objects may glow dimly because the force of gravity causes them to continue shrinking, which releases energy in the process. Astronomers label these objects brown dwarves as a way to describe their small size and relatively insignificant power output.

Other protostars are bigger, many times more massive than our own sun . These large protostars continue to contract, but instead of producing heat through contraction alone, they begin to convert hydrogen into helium in a process known as thermonuclear fusion. At this point, the protostar phase is over and a true star begins to form. Around it's a whirling cloud of residual dust and gas -- the very material that can build, over billions of years, a system of planets and moons.

Emission Nebulae: A Star Is Born

When a protostar becomes a self-radiating object, fueled by its own thermonuclear reactions, it becomes a true star. If it's massive enough, a star can ionize the nebular material, producing an area of fluorescence around it. The dark nebula, now glowing, becomes an emission nebula.

A single emission nebula can be filled with numerous newborn stars. A good example is the Cone Nebula, in Monoceros the Unicorn, an area of active star formation. The Cone Nebula is part of an enormous cloud of hydrogen gas that cradles many brand-new stars, which vary drastically in brightness because many are still cloaked in cloud and dust. The brightest star associated with the Cone Nebula is S Monocerotos.

Courtesy NASA and STScI
The Cone Nebula is actually just a small portion of a much larger nebular cloud.

Nebulae may also mark the site of a star's demise. On the next page, we'll look at how that can happen.

There are two types of bright nebulae that are associated, not with star birth, but with star death. The first of these are planetary nebulae, so called because they're round objects that resemble planets. A planetary nebula is the detached outer atmosphere of a red giant star, which is one of the final stages in a medium-sized star's lifecycle. This is how planetary nebulae come to be:

1. An aging star, low on hydrogen as fuel, begins to burn helium.
2. It continues to burn hydrogen in its outer layers and, as it does, it swells up to a giant size.
3. The surface cools and reddens.
4. The giant star becomes unstable and ejects its outer layers.
5. This ejected material forms a planetary nebula, which surrounds a hot, bluish-white core.
6. Heat from the core makes the nebula glow.
   
   
   

   
   Courtesy NASA and STScI
   The Eskimo Nebula was formed by the death of a red giant star, which exploded about 10,000 years ago.

A good example of a planetary nebula is the Eskimo Nebula, which is located about 5,000 light-years from Earth in the constellation Gemini. Discovered by William Herschel in 1787, the nebula gets its name because, when viewed through ground-based telescopes , it resembles a face surrounded by a fur parka. The parka is actually a ring of material streaming away from a central, dying star.

If a star is massive enough, it doesn't die as a red giant, but as a supernova. A supernova occurs when a star explodes and throws off most of its material into space. When a supernova involves a binary, or two-star system, it's known as a Type 1 supernova. When a supernova involves a lone star, it's known as a Type 2 supernova.

In Type 1 supernovas, one star in the binary system is a white dwarf, a dying star that has consumed almost all of its hydrogen. The white dwarf pulls material from the outer layers of its companion star. This material burns in the dwarf's outer regions, causing its core to heat up to extreme temperatures. As the white dwarf is consumed in a runaway reaction, it explodes, expelling its remains in a vast cloud -- a nebula. On average, a Type 1 supernova occurs in a galaxy once every 140 years [source: Ronan ].

Type 2 supernovas occur more frequently, perhaps once every 91 years in a galaxy [source: Ronan ]. In a Type 2 supernova, a single star experiences a sudden collapse. The core of such a star becomes massively dense -- a tightly packed ball of neutrons. As the rest of the star's material falls inward under its own weight, it hits the core with such force that it "bounces" back outward again in a magnificent explosion. This explosion forms a visible nebula that can be observed easily from Earth.

The best-studied Type 2 supernova is the Crab Nebula, discovered in A.D. 1054 by Chinese and Arab astronomers, who believed they were looking at a new star. The "star" became brighter during several weeks and, by July, could be observed for 23 days even in the daytime. It remained visible to the naked eye for about two years. The supernova SN1987A, in the Large Magellanic Cloud, is another Type 2 supernova that exploded in 1987. Its nebula expanded to the diameter of Earth's orbit around the Sun -- 300 million kilometers -- in just 10 hours [source: Ronan ].

Courtesy NASA and STScI
The Crab Nebula is a Type 2 supernova remnant in the constellation Taurus.

Scientists continue to expand their understanding of even long-studied nebulae. Most of these advances are due to improvements in telescopes and other observational technology. The Hubble Telescope has revealed a great detail about nebulae. In 2005, the space telescope captured the most detailed view of the Crab Nebula in one of the largest images ever assembled by the observatory. And in 2006, the Spitzer Telescope (launched in 2003 as the Space Infrared Telescope) collected never-before-seen data about the Orion Nebula.

Spitzer's infrared eye found some 2,300 disks of planet-forming material that were either too small or distant to be seen by most traditional telescopes scanning Orion in the visible range of the electromagnetic spectrum. Spitzer also revealed about 200 "baby" stars that had yet to develop any planetary disks [source: NASA Jet Propulsion Laboratory].

These are the wonders that space probes such as Pioneer 10 may encounter as they journey across the galaxy . Space explorers, however, may never enjoy a firsthand glimpse of nebulae. Orion, the nearest stellar factory to our home planet, sits about 1,450 light-years from Earth .

For more about nebulae, astronomy and related topics, take a look at the links on the next page.

Originally Published: Jun 18, 2008

Is a nebula bigger than a galaxy?

What are the two types of nebulae?

How is a nebula formed?

Is the Crab Nebula in our galaxy?

Which is the biggest Nebula?

Lots More Information