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【作者建议：如果您没时间看完所有文字，可以先快速看完每张图。】在第三章，我们已经领略了恒星的壮观群像与一些恒星的独照。正如我们所知，恒星在诞生之后会演化，演化的模式依赖于其初始质量等因素。过去一些年的研究表明：一些质量在太阳0.8倍到8倍之间的恒星演化到后期，其核心部分会收缩为一个很小的高温星体，其外层物质会被喷发出去。高温核心发出的强烈的紫外线辐射加热这些物质，使其逐渐升温到数千摄氏度甚至上万摄氏度，从而发出各种颜色的光芒。由于历史的原因，它们被称为“行星状星云”——虽然它们与行星并无关系。在哈勃拍摄的众多深空图像中就有不少是行星状星云的震撼人心的图像。在这一章，我们将先按照由近及远的顺序，领略哈勃拍摄的一些著名的行星状星云的风采，然后再介绍与行星状星云有密切关系的白矮星。首先我们来看看著名的螺旋星云 (NGC 7293) 。它位于水瓶座，距离地球约650光年。早在1824年之前，它就被天文学家发现。由于它整体上很像一只巨大的眼睛，它也被称为“上帝之眼”或者“索伦之眼”。索伦是《魔戒》里的重要角色，也是《霍比特人》等作品中的角色。对于哈勃上面的相机而言，在如此近的距离上，螺旋星云显得太大了，因此哈勃上的相机单次成像只能拍摄它的一小部分。天文学家使用哈勃上面的ACS多次拍摄局部区域再拼接，然后结合位于智利的CTIO的4米望远镜拍摄的图像，合成出螺旋星云的精细的全景图。
图：哈勃的ACS多次扫描拍摄后的数据与CTIO的4米望远镜拍摄的数据合成后得到的行星状星云螺旋星云 (NGC 7293) 的全景图像。图中区域的边长约为6光年。Credit: NASA, ESA, C.R. O'Dell (Vanderbilt University), and M. Meixner, P. McCullough, and G. Bacon ( Space Telescope Science Institute)https://www.spacetelescope.org/images/opo0432d/
奇怪的知识：它们为什么被称为“行星状星云”？它们与行星有什么关系？早年的一些天文学家用比较小的望远镜观看它们时，觉得它们像行星或者行星的盘，因此将其称为“行星状星云”。实际上，它们与行星无关——天文学家已经在一些行星状星云中发现了类似恒星外层区域的物质，证明它们是一些恒星走向生命末期时喷发出的气体形成的星云。但这个名称还是被将错就错地沿用至今。
虽然螺旋星云看上去像个圆环，但实际上它由两个气体盘组成，这两个气体盘几乎互相垂直。其中，内盘的直径大约是1.7光年，外盘的直径大约是2.5光年。它的内盘与外盘分别以每秒钟32千米与40千米的速度向外膨胀。天文学家根据气体盘的半径，假定它始终匀速膨胀，推断出它大约在1万年前诞生。在使用ACS多次拍摄之前，哈勃的WFPC就已经拍摄了螺旋星云的局部区域。WFPC2拍摄的图像显示出震撼人心的细节。特别是，其中出现了大量又像蝌蚪、又像彗星的“彗星结”，是人类首次在行星状星云中发现彗星结。
图：哈勃的WFPC2拍摄的螺旋星云 (NGC 7293) 的局部区域的可见光图像。图中绿色表示氢发出的光，蓝色表示氧发出的光，红色表示氮发出的光。图中区域的边长约为0.5光年。图中分布着大量蝌蚪状的物质，它们也像彗星，因此被称为“彗星结”。Credit: Robert O'Dell, Kerry P. Handron (Rice University, Houston, Texas) and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9613a/ 奇怪的知识：行星状星云的形成过程。如果一个恒星的刚形成时的质量大于太阳质量的0.8倍却又小于太阳质量8倍，它在核心氢燃烧结束后，会先膨胀为红巨星，半径达到太阳的几百倍甚至上千倍；然后，这些红巨星喷发出外层物质，成为行星状星云。几十亿年之后，我们的太阳也会喷发出外层物质，成为行星状星云。距离地球大约1200光年的“哑铃星云”是第一个被天文学家记录的行星状星云，记录它的人是梅西耶。这个星云在梅西耶星表中的编号是M27。梅西耶星表中有4个行星状星云，除了M27之外，还有M57, M76与M97。在一些分辨率不是非常高的望远镜中，它像一个哑铃，因此得名。但如果用高分辨率望远镜观测，就会发现它类似于一个椭圆形，其中特别明亮的区域构成一个哑铃形状。
图：位于地面的欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜 (VLT) 拍摄的哑铃星云的全景图。Credit: European Southern Observatoryhttps://en.m.wikipedia.org/wiki/Dumbbell_Nebula#/media/File%3AM27_-_Dumbbell_Nebula.jpg 哑铃星云的直径大约为3光年，在天空中的视角大约为8角分，而哈勃上面的一些照相机的视场大小在3角分以下——比如WFPC2的视场大小为2.7角分，因此哈勃单次成像只能拍摄到它的一部分。下图为哈勃的WFPC2拍摄的哑铃星云的部分区域的可见光图像。
图：哈勃的WFPC2拍摄的哑铃星云 (M27) 的局部区域的可见光图像。图中区域的边长约为0.9光年。哑铃星云的直径大约为3光年。因此图中区域的宽度不到M27宽度的3分之1。https://www.spacetelescope.org/images/opo0306d/ 根据哑铃星云的膨胀速度，天文学家计算出它的年龄大约为1万年。换句话说，它是从大约1万年前开始膨胀，直到现在看到的那么大。在它的中心，有一颗炽热的恒星核心。在南天的船帆座方向，有一个著名的“南环状星云”，它在NGC星表中的编号是NGC 3132。它与地球的距离约2000光年，是地球与哑铃星云的距离的大约2倍。因为它显示出环状结构，因此得名，与北天的环状星云（见下面介绍）相对应。
图：哈勃的WFPC2拍摄的南环状星云 (NGC 3132) 。图中区域的宽度约为0.9光年，高度约为0.7光年。Credit: Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA/ESA)https://www.spacetelescope.org/images/opo9839a/ 奇怪的知识：为什么行星状星云大多绚丽多彩？行星状星云的母体喷发出大量气体后，中心留下了高温的核心。高温核心温度可以达到1万摄氏度甚至5万多摄氏度，发出强烈的紫外线。强烈的紫外线将周围的星云逐渐加热到上万摄氏度，使得星云中的气体原子被电离，发出多种色彩的光。双喷流星云 (PN M2-9) 与IRAS 13208-6020比南环状星云略远的是双喷流星云，也被称为“蝴蝶星云”，编号为PN M2-9。它位于蛇夫座，与地球的距离大约为2100光年。双喷流星云是一个典型的双极形状的行星状星云。它的中心是一对双星，质量相对大的那颗恒星已经演化到生命末期，喷发出两个对称的气体瓣。
图：哈勃的WFPC2拍摄的双喷流星云的可见光图像。图中区域的宽约为0.5光年。据估计，这对瓣状气体已有1200年的历史。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/heic1518a/与双喷流星云高度相似的行星状星云有“IRAS 13208-6020”，它中心的天体正在猛烈喷发物质，也形成沿着两极方向运动的喷流。它的距离至今都未被确定。严格说，它并不是真正的行星状星云，而是一个“原行星状星云”——幼年阶段的行星状星云。
图：哈勃的ACS拍摄的行星状星云IRAS 13208-6020的可见光与近红外线图像。它是一个非常年轻的“原行星状星云”，它中心的恒星核心正在剧烈地向外喷发物质，形成了两个非常清晰的柱状喷流。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1123a/奇怪的知识：原行星状星云。在恒星刚开始喷发物质时，形成的天体被称为“原行星状星云”，它们的温度相对低，自身不发光，只能反射中心恒星发出的光，因此色彩大多数不够艳丽。随着时间的推移，中心恒星发出的紫外线将这些物质加热到足够高的温度，它们就开始发光，产生绚丽的色彩，成为真正的行星状星云。换句话说，原行星状星云属于“反射星云”，而行星状星云则属于“发射星云”。这两个阶段之间当然有一个过渡阶段，在这个过渡阶段，一部分气体开始成为发射星云，另一部分气体还是反射星云，二者混合在一起。比双喷流星云略远一些的行星状星云是红矩形星云。它位于麒麟座方向，距离地球约2300光年。红矩形星云的中心有一颗演化到生命末期的恒星HD 44179，这颗恒星正不断将外层气体喷发出去，留下了核心炽热的核心。核心发出的强烈紫外线加热了自己喷发出去的气体与尘埃，使其发出光芒。
图：哈勃的ACS拍摄的恒星HD 44179与它喷发出的星云的可见光图像。由于它在地球上的望远镜看来像一个红色的矩形，因此被称为“红矩形星云”。哈勃的图像揭示出了更多细节，表明它更像字母X，附近弥漫着发光气体。红矩形星云星云处于行星状星云的极早期阶段，它将迅速演化为真正的行星状星云。图中红色表示氢发出的红光。蓝色表示橙红色光。图中区域的宽度约为17光年。Credit: ESA/Hubble and NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1007a/ 奇怪的知识：行星状星云的结构。行星状星云具有多种结构，其中大约20%具有圆环结构。除了圆环结构之外，还有更多更复杂的结构，有的像项链，有的像哑铃，有的像矩形，有的像蝴蝶，有的由多层环套成，有的有两极喷流，等等。科学家们认为，行星状星云形态如此繁多，可能与磁场、双星相互作用有关。距离地球约2570光年的环状星云是最著名的行星状星云。它位于天琴座，在梅西耶星表中的编号是M57。只要你能够在夏季夜空中找到织女星，就可以找到环状星云。织女星旁边有四颗亮星，构成一个四边形，中国的古人将其想象为织女织布的梭子。构成这个四边形的下边的两颗星之间，就是环状星云所在的位置。如果你使用一个口径超过7.5厘米的望远镜，就可以看到它。如果你使用口径为20厘米的望远镜，就可以看到它的更精细的结构。
图：哈勃的WFC3拍摄的M57（环状星云）的可见光图像。图中区域边长约为1.5光年。从地球上看，M57像一个椭圆，具有一个粗糙的边界。不过哈勃与地面望远镜拍摄的图像的合成图像表明它像一个扭曲的圆环，中心为一个橄榄球状的稀薄区域。图中区域的边长约为1.6光年。Credit: NASA, ESA, and C. Robert O’Dell (Vanderbilt University).https://www.spacetelescope.org/images/heic1310a/
图：由哈勃的WFC3拍摄的数据与地面上的大双筒望远镜 (LBT) 拍摄的数据合成的行星状星云M57（环状星云）的图像。相比开头的那张图像，这张图像覆盖的范围更大，LBT拍摄到的数据表明环状星云明亮的圆环外面还有大量扭结状的星云。Credit: NASA, ESA, C. Robert O’Dell (Vanderbilt University), and David Thompson (LBTO)https://www.spacetelescope.org/images/heic1310b/ 奇怪的知识：行星状星云与孕育恒星的星云的区别是什么？尽管行星状星云与第一章中展示的那些形成恒星的星云多有相似之处，但二者本质上是不同的：行星状星云是由恒星喷发出来的气体形成的，而第一章中介绍的那些星云则成批地孕育恒星。这就使得它们的质量与尺寸都有巨大的差异：一般而言，行星状星云只有几光年大小，而孕育恒星的星云则可以达到几十甚至几百光年大小。距离地球大约3000光年的猫眼星云 (NGC 6543) 也是一个美丽的行星状星云，它位于天龙座方向。哈勃的图像表明猫眼星云的结构异常复杂：有好几个气体壳层，它们都绕着同一个轴旋转，星云中有两股高速的气体喷流沿着旋转轴方向喷出，喷流内部的高速气体撞击低速气体，形成高速的冲击波。冲击波所在的地方形成稠密的气体结。
图：哈勃的WFPC2拍摄的猫眼星云 (NGC 6543) 的可见光图像。哈勃捕捉到的是这个星云形成大约1000 年之后发出的光。猫眼星云还非常年轻，与中心的恒星刚开始喷发气体的时刻非常接近，因此人们可以用它来研究恒星刚结束生命时的演化特征。图中区域的边长约为0.5光年。Credit: J.P. Harrington and K.J. Borkowski (University of Maryland), and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9501a/ 距离地球3000光年左右的深空还有一个著名的蛋星云。蛋星云中心的恒星喷发出的气体与尘埃形成了多层同心圆结构，恒星制造的喷流刺破一层层气体与尘埃。
图：哈勃的ACS于2002年拍摄的蛋星云的可见光图像。图中区域的宽度约为1.28光年，高度约为0.74光年。蛋星云属于“原行星状星云”，它即将演化为真正的行星状星云。Credit: NASA/ESA and The Hubble Heritage Team STScI/AURAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo0309a/ NGC 5189因它的反S型结构而著名。也因为这个特征，它又被称为“旋涡行星状星云”。NGC 5189位于南天苍蝇座，与地球的距离至今还有争议，有的认为它的距离大约3000光年，有的研究认为距离大约为1800光年。它的核心是一对双星，其中一颗制造了这个星云；另一颗是大质量恒星。二者环绕共同的中心公转，每4天转一圈。
图：哈勃的WFC3于2012年7月6日拍摄的旋涡状行星状星云 (NGC 5189) 的可见光图像。图中区域的边长约为2.4光年。Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/heic1220a/ 蝴蝶星云是哈勃拍摄的最负盛名的行星状星云之一，也是哈勃拍摄的最著名的天体照片之一。它位于天蝎座方向，距离地球约3400光年，在NGC星表中的编号是NGC 6302。据推断，蝴蝶星云的母体是一颗质量为太阳5倍的恒星。这颗恒星先膨胀为一颗红巨星，半径达到太阳半径的1000倍，然后开始向外喷发气体。2009年，在针对哈勃的最后一次维修时被安装上哈勃的WFC3拍摄了第一批照片，其中一张就是蝴蝶星云的照片， 这次拍摄首次确认出蝴蝶星云核心的炽热天体。现在，这个核心天体的质量只有太阳质量的0.6倍。
图：哈勃的WFC3于2009年7月27日拍摄的蝴蝶星云 (NGC 6302) 。蝴蝶星云被中心的高温核心的温度高达25万摄氏度，是当前已经被发现的同类星体中温度最高的。高温核心发出的紫外线将周围的气体加热到2万多摄氏度，比绝大部分行星状星云的温度高得多。组成蝴蝶翅膀的气体实际上是两股气体喷流。喷流的长度达到了2光年，速度达到了每小时95万千米。Credit: NASA, ESA and the Hubble SM4 ERO Teamhttps://www.spacetelescope.org/images/heic0910h/ 奇怪的知识：蝴蝶星云是如何形成的？恒星的赤道方向喷发出一部分气体，速度相对低，每秒只有大约10千米，这些气体构成一个环；两极方向喷发出的气体的速度高得多，形成翅膀形状。此后，每秒大约1000千米的带电粒子冲击星云，改变了星云的形状。比蝴蝶星云略远一些的是万花尺星云，它在IC星表中的编号是IC 418，位于天兔座，距离地球约3600光年。它像用玩具万花尺画出的密密麻麻的漂亮曲线的叠加图。它中心的恒星的温度大约为39000摄氏度。尽管这个温度已经是比较高的温度，但在同类恒星中，却是相对低的。
图：哈勃的WFPC2于1998年拍摄的万花尺星云 (IC 418) 的可见光图像。图中区域的边长约为0.4光年，其中万花尺星云的直径大约0.3光年。万花尺星云中的纹理结构是它最有趣的特征，有些天文学家认为它可能由星云内部的磁场引起，也有人认为恒星发出的不稳定的星风也对这些纹理的形成有帮助。Credit: NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/opo0028a/ 土星星云 (NGC 7009) 位于水瓶座方向，精确距离未定，大致在2000到4000光年之间。它的外形像带着光环的图形，因此得名。实际上，除了外形有点像之外，这个行星状星云与土星一点关系都没有。土星星云中心处的恒星的温度高达5万多摄氏度，发出的亮度达到太阳亮度的20多倍。这颗高温恒星喷发出的气体形成了一对喷流，仿佛这个橄榄球状星云的一对手柄。恒星发出的紫外线加热了这些气体，使其发出各种光芒。
图：哈勃的WFPC2于1996年拍摄的土星星云 (NGC 7009) 的可见光图像。中间粉红色点表示中心炽热的恒星核心，它喷发出的物质构成了这个行星状星云。图中蓝色与绿色表示不同状态的氧发出的光，红色表示硅和氮发出的光。Credit: Bruce Balick, Jason Alexander, Arsen Hajian, Yervant Terzian, Mario Perinotto, Patrizio Patriarchi, NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9738g/ 行星状星云NGC 2440如同太空中的烈焰。它位于船尾座，距离地球大约4000光年。垂死的恒星将外壳喷出，在里面留下了炽热的核心。气体吸收了炽热的恒星发出的强烈的紫外线，温度升高，发出可见光辐射。
图：哈勃的WFPC2拍摄的行星状星云NGC 2440的可见光图像。中心的白点是恒星的核心部分。图中区域的边长约为1.4光年。Credit: NASA, ESA, and K. Noll (STScI)https://www.spacetelescope.org/images/heic0703a/ NGC 7354以其迷雾一样的特征而闻名。它位于仙王座方向，与地球的距离的精确值难以确定，粗略值大约为4200光年。由两层气体壳组成，其中外层为圆形，内层为椭圆形。两股喷流向相反方向对称地喷出。
图：哈勃的WFPC2拍摄的行星状星云NGC 7354的可见光图像。图中显示了圆形的外层、椭圆形的内层与中心的恒星核心。图中区域的边长约为0.7光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1250a/在所有的行星状星云中，那些呈现完美圆形的星云是最简单的。这方面的著名例子是柠檬片星云，它在NGC星表中的编号是IC 3568。在哈勃得到的图像中，这个星云的核心仿佛柠檬的切片，因此它被称为柠檬片星云。它位于鹿豹座，紧邻北极星，与地球的距离大约为4500光年。
图：哈勃的WFPC2拍摄的柠檬片星云 (IC 3568) 的可见光与近红外线合成图像。中心黄绿色部分为快速而炽热的星风，外围浅色区域为慢速星风。快速星风挤压慢速星风，形成冲击波。图中区域的边长约为0.47光年。Credit: Howard Bond (Space Telescope Science Institute), Robin Ciardullo (Pennsylvania State University) and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9738c/ 爱斯基摩星云 (NGC 2392) 位于双子座，距离地球大约6500光年。它由两个气体壳层构成，且具有双极结构。位于爱斯基摩星云的中心的高温恒星核心的强烈星风与紫外线吹出了它外部盘的丝状结构，这些丝的长度达到光年的量级。使用20厘米口径的望远镜，就可以看到它内部的结构。
图：哈勃的WFPC2于1999年12月拍摄的爱斯基摩星云 (NGC 2392) 的可见光图像。图中区域的边长约为2.4光年，其中爱斯基摩星云内部区域的直径超过0.7光年。Credit: NASA, ESA, Andrew Fruchter (STScI), and the ERO team (STScI + ST-ECF)https://www.spacetelescope.org/images/heic9910a/ 位于半人马座方向、距离地球约7000光年的“南蟹状星云” (Hen 2-104) 是南天的一个重要景观。它因为像著名的“蟹状星云”而得到这个名称。尽管二者都被命名为“蟹状星云”，但它们的成因却完全不同：南天的蟹状星云是中低质量恒星喷发出来的物质，北天的蟹状星云是大质量恒星的爆炸产生的。我们将在下一章领略介绍北天的蟹状星云的迷人风采。
图：哈勃升空29周年纪念图：哈勃的WFC3拍摄的行星状星云“南蟹状星云” (Hen 2-104) 的可见光图像。图中区域的宽度约3光年，高度约为3.4光年。Credit: NASA, ESA, and STScIhttps://www.spacetelescope.org/images/heic1907a/ NGC 2818位于罗盘座方向，距离地球大约7500光年。天文学家一度认为NGC 2818在疏散星团之内，但又被一个矛盾所迷惑：一个恒星一般要经过几亿年到几十亿年才会形成行星状星云，而这个星团的年龄只有大约1亿年。此后的研究表明：这个疏散星团的运动速度与这个行星状星云的运动速度不同，后者并不在前者内部，而只是因为视线上恰好重叠在一起。
图：哈勃的WFPC2拍摄的行星状星云NGC 2818的可见光图像。图中区域的宽度约为4.7光年，高度约为宽度的一半。图中红色代表氮气发出的光、绿色代表氢气发出的光、蓝色代表氧气发出的光。Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/ann0901a/ 沙漏星云 (MyCn 18) 距离地球约8000光年。它因为像人们曾经用来计时的沙漏而得名。此前地面望远镜拍摄出的沙漏星云只显示出两个大的环状与一个中心天体。哈勃得到的图像显示出沙漏星云的更多精细的结构。
图：哈勃的WFPC2拍摄的沙漏星云 (MyCn 18) 。红色表示电离氮发出的光，绿色表示电离氧发出的光，蓝色表示二次电离氧发出的光。Credit: Raghvendra Sahai and John Trauger (JPL), the WFPC2 science team, and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9607a/ 奇怪的知识：行星状星云的寿命一般不超过几万年。相比恒星上亿年甚至百亿年以上的寿命，行星状星云的寿命实在是太短暂了。如果把太阳这样的恒星比为一个百岁寿命的老人，那行星状星云的寿命不到这个老人最后的4天时间。经历大约几万年之后，行星状星云逐渐冷却、消散，融入周围的太空。事实上，银河系内的一部分化学物质就是由行星状星云提供的。在距离地球大约8000光年处，还有一个著名的“蚂蚁星云”，它位于矩尺座方向，编号是Menzel 3，缩写为Mz 3。它于1922年首先被天文学家Menzel发现。在地面望远镜获得的图像中，它像一只蚂蚁的头与胸。哈勃拍摄的图像显示出更多得多的细节。
图：哈勃的WFPC2拍摄的蚂蚁星云（Menzel 3,缩写为Mz 3）的可见光图像。图中显示出了核心的高温恒星核、恒星喷发出的相对稠密的物质与外围的弥漫气体。紫色表示电离氧发出的光，蓝色表示电离氢发出的光，绿色表示电离氮发出的光，红色表示电离硅发出的光。图中区域的宽度与高度分别为4.1光年与2.7光年，其中蚂蚁星云的直径约2光年。Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/heic0101a/项链星云 (PN G054.2-03.4) 位于天箭座，距离地球约15000光年，2005年才被首次发现。这个行星状星云由一个双星系统制造。由于中心的两颗星靠得太近，距离仅几百万千米，每1.2天绕着共同的中心旋转一圈，看上去就像一颗星。
图：哈勃的WFC3拍摄的项链星云 (PN G054.2-03.4) 的可见光与近红外图像。图中蓝色为氢，绿色为氧，红色为氮。图中区域的宽度与高度分别为7.6光年与5.5光年，其中项链星云的直径达到了2光年。内部的恒星发出强烈的紫外线辐射，加热环中的物质，环中物质比较稠密的部分显得特别亮，整个环看起来像一条钻石项链。Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/potw1133a/ 奇怪的知识：项链星云的形成过程。大约1万年前，大的那颗恒星突然膨胀，吞没小的那颗类似于太阳的恒星，后者在前者肚子里继续运转，导致前者的一部分气体加速旋转，沿着前者的赤道方向向外逃离，产生了一个环。当恒星抛出的外层气体成为行星状星云之后，内部的核心在此后演化为炽热而致密的星体。这样的星体的表面温度很高，发出强烈的紫外线与蓝白色光；它们的半径比较小，与地球半径差不多。虽然如此，因为其温度非常高，它们的亮度有的比太阳还高。很多人称呼这些星体为“白矮星”，这是不精确的。因为，“白矮星”中的“白”表示颜色白，“矮”代表亮度低。而行星状星云中的天体的颜色虽然白，亮度却不比太阳低。随着时间推移，行星状星云迅速消失，位于它们中心区域的那些炽热的恒星核心的温度逐渐降低。温度每降低到原来的一半，真实亮度就降低到原来的16分之1；温度降低到原来的10分之1，亮度就会降低到原来的10000分之1。在这些恒星核心的温度降低到一定程度时，它们的真实亮度就开始低于太阳的亮度，此后更是远比太阳的亮度低。当这些天体的亮度远低于太阳、但温度却依然有一万摄氏度左右时，它们被称为 “白矮星”。至今为止，天文学家共发现上万颗白矮星。这些白矮星，有的是单星，有的位于双星系统中，有的位于星团中。被发现的白矮星的质量都低于太阳的1.4倍，其中最低质量为太阳质量的0.17倍，最高质量是太阳质量的1.33倍。大多数白矮星的质量在太阳质量的0.6到0.7倍之间。奇怪的知识：理论研究表明，白矮星的质量一般不会超过1.44个太阳质量。如果一个白矮星的大小和地球差不多，那么它的质量和太阳差不多。这使得这样的白矮星的密度达到水密度的大约100万倍。与地球最近的白矮星是天狼星的伴星——天狼星B，它与地球的距离仅8.6光年。天狼星位于大犬座，是夜空中最亮的恒星。天狼星B的质量是0.98个太阳质量，半径只有6000千米，比地球半径还小一些。天狼星B的温度达到了2万5千摄氏度，是太阳温度的4倍多。
图：哈勃的WFC2于2003年10月15日拍摄的天狼星与天狼星B。图中大白圆为天狼星，天狼星左下角的小白点为天狼星B，它是一颗白矮星。Credit: NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester)https://www.spacetelescope.org/images/heic0516a/
Stein 2051B是另外一颗著名的近距离白矮星，它与地球的距离只有17光年，它与一颗编号为Stein 2051A的红矮星构成一对双星。远处一颗恒星发出的一部分星光掠过这颗白矮星附近，最后达到地球。2013年10月到2015年10月，天文学家用哈勃的WFC3多次拍摄了远处恒星的位置，确定了每一次发出的星光的“拐弯”程度，从而测出了这颗白矮星的质量。
图：哈勃的WFC3拍摄的白矮星Stein 2051B的可见光与近红外线图像。图中心的大亮斑为白矮星Stein 2051B，下方小的恒星不是它的伴星，而是距离地球5千光年远的一颗恒星，它是这颗白矮星的“背景星”。图中区域的宽度约为万分之8光年，即7.5亿千米。由于过度曝光，图中白点比白矮星的真实大小大得多。图中四角芒为哈勃副镜支架导致的衍射效应。https://www.spacetelescope.org/images/potw1724a/ 除了单星与双星系统中的白矮星之外，天文学家还利用哈勃的观测数据，在球状星团中发现了众多白矮星。例如，哈勃的ACS拍摄了球状星团NGC 6397，它位于天坛座，距离地球约7千光年，包含几十万颗恒星。天文学家从ACS获得的图像中确认了84颗白矮星。这些白矮星最年轻的也已有8亿岁，其余的年龄在14到35亿岁之间。
图：左图为地面望远镜拍摄的球状星团NGC 6397。哈勃的ACS拍摄了左图中白色方框部分，它被放大后的图像见右上图。图中圈出的这个星团中被发现的84颗白矮星中的12颗，蓝色与红色的框圈住的分别是年轻与年老的白矮星。它们被各自放在右下方的小正方形中。Credit: D. Verschatse (Antilhue Observatory, Chile); NASA, ESA, and H. Richer (University of British Columbia)https://www.spacetelescope.org/images/opo0742a/ 奇怪的知识：如何确定白矮星的年龄？年轻的白矮星更亮、更热、更蓝，根据这个原理，天文学家分析了白矮星的颜色与亮度，计算出它们的年龄。2004年，与2011到2013年，天文学家用哈勃的ACS观测了银河系中心附近的人马座方向的一片区域，这片区域与地球的距离约为27000光年。在分析了ACS得到的图像后，天文学家从中确认出70颗白矮星。这是天文学家首次在银河系的核球区域发现白矮星。
图：哈勃的ACS拍摄到的银河系中心人马座方向一片区域内的白矮星。左图为Akira Fuji在地面上拍摄的银河系图像，图中箭头所指的区域就是哈勃的ACS拍摄的区域，它被放大到右上图。右上图中的4个白矮星被分别标记为1、2、3、4，它们的放大图像在右下图分别显示出。这4个白矮星是哈勃在这个区域内发现的最亮的70个白矮星中的4个。Credit for Hubble Images: NASA, ESA, A. Calamida and K. Sahu (STScI), and the SWEEPS Science TeamCredit for Ground-based Image: A. Fujiihttps://www.spacetelescope.org/images/opo1538a/ 奇怪的知识：白矮星的质量一般不超过太阳的1.4倍，超过这个值，白矮星将会爆炸为超新星或者收缩为中子星。大部分白矮星的质量是太阳质量的0.5到0.6倍之间。 除了银河系内的白矮星之外，哈勃还拍摄到更远的星系中的白矮星，如位于距离地球大约16.3万光年的大麦哲伦云星系内的星团NGC 1818中的一颗白矮星。NGC 1818的年龄只有4千万年，其中的恒星超过2万颗。
图：哈勃的WFPC2拍摄的年轻星团NGC 1818的紫外线、可见光与近红外图像。其中箭头所指的是一颗白矮星。图下方为地面望远镜拍摄的大麦哲伦云，哈勃拍摄的星团所在的位置用圆圈圈出。图中圆形区域的直径大约为60光年。Credit: Rebecca Elson and Richard Sword, Cambridge UK, and NASA/ESA (Original WFPC2image courtesy J. Westphal, Caltech)https://www.spacetelescope.org/images/opo9816b/如果没有外来因素的影响，白矮星会在此后继续降低温度与亮度，最后会在非常久远之后，成为“黑矮星”，这个“久远”超过了当前宇宙的年龄（138亿年），因此当前宇宙中还没有黑矮星。如果白矮星处于双星系统中，就有可能发生更多故事。如果白矮星与一个巨大的气体恒星构成双星，且二者距离足够近，就可以将气体恒星的氢吸引到自己身上，并堆积起来。在堆积的气体足够多时，白矮星表面的温度升高到足以使氢发生核聚变反应，氢聚变为氦，将气体壳炸开，产生强烈的冲击波，发出耀眼的光芒。这种现象被称为新星。哈勃拍摄的图像中，就有新星的图像。其中比较著名是天鹅座1992新星 (Nova Cygni 1992) ，它位于天鹅座方向，于1992年2月19日被首先观测到，因此被如此命名。它与地球的距离约为10000光年，被发现的达到了6等，恰好可以用人眼看到，最亮时达到4.4等。哈勃上面的暗淡天体照相机 (Faint Object Camera, FOC) 首次拍摄时，分辨率不高，这是因为哈勃主镜的缺陷造成的。1993年，宇航员对哈勃进行第一次大修，将哈勃上面的高速测光计取出，装入“空间望远镜光学矫正轴心替代系统”，简称COSTAR，用以矫正主镜面缺陷对轴心附近的另外三个仪器——包括FOC——的影响。这次维修后，FOC再次拍摄了天鹅座1992新星，得到的图像的分辨率显著提高。
图：哈勃的FOC拍摄的天鹅座1992新星的图像。左图为1993年的维修之前得到的图像，右图为1993年的维修之后得到的图像。这个新星喷发出的物质在周围形成一个物质壳，这在维修后的图像中可以被清楚识别出。Credit: F. Paresce, R. Jedrzejewski (STScI), NASA and ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9406a/ 哈勃拍摄的另一个著名的新星是英仙座GK (GK Persei) ，它又被称为“英仙座1901新星” (Nova Persei 1901) ，它位于英仙座，于1901年2月21日被发现，因此得名。它距离地球约1600光年，最亮时达到0.2等。英仙座1901新星爆发后喷发出的物质也构成物质壳，以每秒1200千米的速度向外运动，形成美丽的新星遗迹。
图：哈勃拍摄的英仙座1901新星遗迹的可见光图像。图中区域宽度约为1.6光年。https://chandra.harvard.edu/photo/2015/gkper/ （进入后，点击图像下方的“optical”，即可显示可见光图）白矮星过快吞噬伴星物质或与另一颗白矮星并合，会产生更壮观的自我毁灭的爆发现象，这个现象我们将在下一章介绍。
文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。
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