港大太空研究实验室伙国际天文研究团队

 图1. 以M 37（NGC 2099）为中心的增强对比度的30x30弧分尺寸的IPHAS（Drew等人，2005年）商图。直径为445弧秒（该星云长轴程度）的红色圆圈圈出部分为该低表面亮度、呈双极形态的行星状星云（IPHASX J055226.2+323724），蓝色圆圈表示星团的完整延伸长度（30弧分）。该星云座落于星团的潮汐半径内并且其蓝核心几乎完美地位于星云的几何中心。从文献中可知该星云核心本身的大小仅约为280弧秒。

 (原新闻稿已于8月26日发布)

由香港大学（港大）太空研究实验室领导的国际天文学研究团队，在一个距今约5亿年的银河系疏散星团（Galactic Open Cluster） 中，首次发现了一颗行星状星云 （Planetary Nebula） - M37（又称 NGC2099）。这一发现十分罕见，具有极高的天体物理学研究价值。团队刚刚于天体物理学领域的重要期刊《天文物理期刊通讯》（Astrophysical Journal Letters）上发表了相关论文。

 图2. 图2a（左图）：利用IPHAS（Drew等人，2005年）观测结果获得的，大小为6.5x6.5弧分的IPHASX J055226.2+323724星云的RGB合成增强影像，我们以此确定其位于银河系疏散星团M37中。合成RGB影像中的R, G, B分别使用Hα，宽波段红光与宽波段i波段。星云核心用蓝色圈出。
图2b（右图）：利用SDSS观测结果获得的，大小为190x145 弧秒的RGB合成影像，合成RGB影像中的R, G, B分别使用i波段，r波段与g波段图像。这些观测数据清晰地展示了亮度较低的位于中心位置的星云核心（箭头指出）。图像上方与右方分别是北与东方向。

行星状星云发生于恒星演化末期，当恒星外层的气体壳经膨胀和被电离后，喷射出的恒星覆盖物会形成明亮的、在光谱上呈显着放射线的光。在静谧黑暗的浩瀚宇宙中，行星状星云色彩绚丽、形状复杂多样，总是吸引着公众与天文爱好者的目光，就连目前世上最大的太空望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）亦捕捉了它的「倩影」，成为首批发放照片中的其中一位主角。

 图3. 从2022年3月4日起，分别指向文中的a、b、c和d四点积分视场单元观测组合成的1-d减去PN光谱的连续谱。 5条可见PN发射线在图中标记出。

在银河系已知的约四千颗行星状星云中，是次发现的行星状星云IPHASX J055226.2+323724，仅仅是与银河系疏散星团相关联的第三例；除此之外，它似乎也是迄今为止最古老的行星状星云。由港大物理学系教授兼太空研究实验室总监柏坤霆教授（Professor Quentin A PARKER）领导的研究团队还发现了一些有趣的特质——他们发现该行星状星云的「运动学年龄（kinematic age）」，即星云气体壳被恒星射出后至今的时间，竟高达七万年之久！此估算是基于星云膨胀的速率而推断（即通过测量星云的发射线，并假设星云以恒定速率膨胀）。一般行星状星云的「运动学年龄」为五千年至二万五千年，比较之下，是次发现的星云实在非常长寿——当然，对宇宙银河中已存在亿万年的原始恒星而言，行星状星云不过是流光瞬息。

 图4. 采用帕多瓦等时线（Bressan et al.（2012）及星团Gaia DR3数据拟合的星团 CMD（B vs. B-R）图，Marigo et al.（2013），采用星团参数（年龄=470+/-50 Myrs，红化E（B − V）=0.26+/-0.04，距离=1.49+/-0-13 kpc，金属丰度[Fe/H]=0.03+/-0/28）。 星云核心由实心红色符号表示。 位于星团中的概率大于80%的恒星在图中用绿点表示（Cantat Gaudin等人，2018年与Gaia DR3结果进行比较得出）。该CMD图包括了pmRA=0至4且pmDec= − 8至 − 2毫安/年（基于平均自运动推测出的最可能的星团成员），距离星团视中心15弧分钟内的所有恒星。

由于这颗星云位于星团中，而星团的特殊环境可以帮助研究团队确定部分一般行星状星云研究中无法确定的恒星演化参数。这包括估计行星状星云的前星体脱离恒星主序带时的质量（根据由观测星团中恒星特性绘制的颜色-星等图得出）。团队还通过理论等时线（theoretical isochrones）和观测到的炽热蓝色中央恒星的特性来估算行星状星云在喷射后中央恒星的剩余质量。团队的研究揭示了中心恒星在诞生时的质量，以及此时此刻在白矮星阶段的残余质量。在盖亚（Gaia）卫星取得的数据中，此炽热的蓝核心的距离估算亦为团队估计行星状星云的实际大小提供了很好的依据，他们推算其大小最多为直径3.2秒差距（parsec, pc ; 星际空间的天文距离计量单位，1pc 等于 3.26 光年）——如团队所料，这可能也是已知行星状星云物理尺寸的极限。

 图5.由利用已知星团白矮星样本进行的最新IFMR估算和半经验“PARSEC”拟合（Cummings et al.2018）得到的图像。图中包括我们对星云-IPHAS J055226.2+323724的估算数据点并由红色圆圈表示。 已知的两颗疏散星团星云用黄色圆圈（PHR 1315-6555（Fragkou等人，2019a）和（Parker等人，2011））和绿色圆圈（BMP J1613-5406-Fragko等人，2019c））表示。 图中误差来自采用的星团参数的误差和估算的核心星等的误差。

此研究的第一作者Vasiliki FRAGKOU博士为前港大物理学系博士研究生， 她表示：「这项研究及之前的研究发现三个例子均为亮度微弱而高度演化的双极（蝴蝶状）形态星云。另外，从放射线推测出的化学特质显示，这三颗行星状星云都为I型，并且其前星都具有中至高质量，这些都是科学上的重要发现，实在令人振奋。」

此研究的通讯作者、港大物理学系教授兼太空研究实验室总监柏坤霆教授表示：「这仅是第三颗在银河系疏散星团发现的行星状星云，而这三颗与疏散星团相关的星云全部都由我的团队发现。它们提供了一种让我们能确定恒星的初末态质量关系（IFMR）的方法。有趣的是，我们利用这些行星状星云得到的初末态质量关系的数据点，都稍稍低于目前实证研究得到的趋势线的定义域，但位于Marigo等人在《自然-天文》期刊中在2-3太阳质量初始质量处的发现的扭结附近。我们团队发现的疏散星团中行星状星云数据点，正好处于现在初末态质量关系趋势线中观测恒星数量较少的部分，这使我们的研究工作具有十分重要的意义。」

LSR成员之一、港大孔庆荧杰出访问教授（科技）兼英国曼彻斯特大学 Albert ZILJSTR教授表示：「是次发现的老星云对估算行星状星云的可观测时间给予很大的参考价值。这结果亦意味着疏散星团对行星状星云来说是一个有利的环境，适合其扩展或衰减，而不会受其他星际物质的干扰。」

相关论文可参阅以下网址：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac88c1

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