港大太空研究實驗室伙國際天文研究團隊

 圖1. 以M 37（NGC 2099）為中心的增強對比度的30x30弧分尺寸的IPHAS（Drew等人，2005年）商圖。直徑為445弧秒（該星云長軸程度）的紅色圓圈圈出部分為該低表面亮度、呈雙極形態的行星狀星云（IPHASX J055226.2+323724），藍色圓圈表示星團的完整延伸長度（30弧分）。該星云座落于星團的潮汐半徑內并且其藍核心幾乎完美地位于星云的幾何中心。從文獻中可知該星云核心本身的大小僅約為280弧秒。

 (原新聞稿已于8月26日發布)

由香港大學（港大）太空研究實驗室領導的國際天文學研究團隊，在一個距今約5億年的銀河系疏散星團（Galactic Open Cluster） 中，首次發現了一顆行星狀星云 （Planetary Nebula） - M37（又稱 NGC2099）。這一發現十分罕見，具有極高的天體物理學研究價值。團隊剛剛于天體物理學領域的重要期刊《天文物理期刊通訊》（Astrophysical Journal Letters）上發表了相關論文。

 圖2. 圖2a（左圖）：利用IPHAS（Drew等人，2005年）觀測結果獲得的，大小為6.5x6.5弧分的IPHASX J055226.2+323724星云的RGB合成增強影像，我們以此確定其位于銀河系疏散星團M37中。合成RGB影像中的R, G, B分別使用Hα，寬波段紅光與寬波段i波段。星云核心用藍色圈出。
圖2b（右圖）：利用SDSS觀測結果獲得的，大小為190x145 弧秒的RGB合成影像，合成RGB影像中的R, G, B分別使用i波段，r波段與g波段圖像。這些觀測數據清晰地展示了亮度較低的位于中心位置的星云核心（箭頭指出）。圖像上方與右方分別是北與東方向。

行星狀星云發生于恒星演化末期，當恒星外層的氣體殼經膨脹和被電離后，噴射出的恒星覆蓋物會形成明亮的、在光譜上呈顯著放射線的光。在靜謐黑暗的浩瀚宇宙中，行星狀星云色彩絢麗、形狀復雜多樣，總是吸引著公眾與天文愛好者的目光，就連目前世上最大的太空望遠鏡詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）亦捕捉了它的「倩影」，成為首批發放照片中的其中一位主角。

 圖3. 從2022年3月4日起，分別指向文中的a、b、c和d四點積分視場單元觀測組合成的1-d減去PN光譜的連續譜。 5條可見PN發射線在圖中標記出。

在銀河系已知的約四千顆行星狀星云中，是次發現的行星狀星云IPHASX J055226.2+323724，僅僅是與銀河系疏散星團相關聯的第三例；除此之外，它似乎也是迄今為止最古老的行星狀星云。由港大物理學系教授兼太空研究實驗室總監柏坤霆教授（Professor Quentin A PARKER）領導的研究團隊還發現了一些有趣的特質——他們發現該行星狀星云的「運動學年齡（kinematic age）」，即星云氣體殼被恒星射出后至今的時間，竟高達七萬年之久！此估算是基于星云膨脹的速率而推斷（即通過測量星云的發射線，并假設星云以恒定速率膨脹）。一般行星狀星云的「運動學年齡」為五千年至二萬五千年，比較之下，是次發現的星云實在非常長壽——當然，對宇宙銀河中已存在億萬年的原始恒星而言，行星狀星云不過是流光瞬息。

 圖4. 采用帕多瓦等時線（Bressan et al.（2012）及星團Gaia DR3數據擬合的星團 CMD（B vs. B-R）圖，Marigo et al.（2013），采用星團參數（年齡=470+/-50 Myrs，紅化E（B ? V）=0.26+/-0.04，距離=1.49+/-0-13 kpc，金屬豐度[Fe/H]=0.03+/-0/28）。 星云核心由實心紅色符號表示。 位于星團中的概率大于80%的恒星在圖中用綠點表示（Cantat Gaudin等人，2018年與Gaia DR3結果進行比較得出）。該CMD圖包括了pmRA=0至4且pmDec= ? 8至 ? 2毫安/年（基于平均自運動推測出的最可能的星團成員），距離星團視中心15弧分鐘內的所有恒星。

由于這顆星云位于星團中，而星團的特殊環境可以幫助研究團隊確定部分一般行星狀星云研究中無法確定的恒星演化參數。這包括估計行星狀星云的前星體脫離恒星主序帶時的質量（根據由觀測星團中恒星特性繪制的顏色-星等圖得出）。團隊還通過理論等時線（theoretical isochrones）和觀測到的熾熱藍色中央恒星的特性來估算行星狀星云在噴射后中央恒星的剩余質量。團隊的研究揭示了中心恒星在誕生時的質量，以及此時此刻在白矮星階段的殘余質量。在蓋亞（Gaia）衛星取得的數據中，此熾熱的藍核心的距離估算亦為團隊估計行星狀星云的實際大小提供了很好的依據，他們推算其大小最多為直徑3.2秒差距（parsec, pc ; 星際空間的天文距離計量單位，1pc 等于 3.26 光年）——如團隊所料，這可能也是已知行星狀星云物理尺寸的極限。

 圖5.由利用已知星團白矮星樣本進行的最新IFMR估算和半經驗“PARSEC”擬合（Cummings et al.2018）得到的圖像。圖中包括我們對星云-IPHAS J055226.2+323724的估算數據點并由紅色圓圈表示。 已知的兩顆疏散星團星云用黃色圓圈（PHR 1315-6555（Fragkou等人，2019a）和（Parker等人，2011））和綠色圓圈（BMP J1613-5406-Fragko等人，2019c））表示。 圖中誤差來自采用的星團參數的誤差和估算的核心星等的誤差。

此研究的第一作者Vasiliki FRAGKOU博士為前港大物理學系博士研究生， 她表示：「這項研究及之前的研究發現三個例子均為亮度微弱而高度演化的雙極（蝴蝶狀）形態星云。另外，從放射線推測出的化學特質顯示，這三顆行星狀星云都為I型，并且其前星都具有中至高質量，這些都是科學上的重要發現，實在令人振奮。」

此研究的通訊作者、港大物理學系教授兼太空研究實驗室總監柏坤霆教授表示：「這僅是第三顆在銀河系疏散星團發現的行星狀星云，而這三顆與疏散星團相關的星云全部都由我的團隊發現。它們提供了一種讓我們能確定恒星的初末態質量關系（IFMR）的方法。有趣的是，我們利用這些行星狀星云得到的初末態質量關系的數據點，都稍稍低于目前實證研究得到的趨勢線的定義域，但位于Marigo等人在《自然-天文》期刊中在2-3太陽質量初始質量處的發現的扭結附近。我們團隊發現的疏散星團中行星狀星云數據點，正好處于現在初末態質量關系趨勢線中觀測恒星數量較少的部分，這使我們的研究工作具有十分重要的意義。」

LSR成員之一、港大孔慶熒杰出訪問教授（科技）兼英國曼徹斯特大學 Albert ZILJSTR教授表示：「是次發現的老星云對估算行星狀星云的可觀測時間給予很大的參考價值。這結果亦意味著疏散星團對行星狀星云來說是一個有利的環境，適合其擴展或衰減，而不會受其他星際物質的干擾。」

相關論文可參閱以下網址：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac88c1

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