Tinh vân Chiếc Nhẫn

"Tinh vân Chiếc Nhẫn" nổi tiếng nằm phía bắc chòm sao Thiên Cầm, với danh lục là Messier 57, M57 hay NGC 6720. Nó là một trong những ví dụ nổi bật về các thiên thể xa trên bầu trời gọi là tinh vân hành tinh, thường được các nhà thiên văn học gọi tắt là "planetaries" hay "PNe".
Lịch sử phát hiện.
M57 nằm trong chòm sao Thiên Cầm, phía nam của ngôi sao sáng nhất trong chòm sao này là sao Vega. Vega là đỉnh đông bắc của nhóm ba ngôi sao được gọi là Tam giác Mùa hè. M57 nằm khoảng 40% khoảng cách góc từ sao Beta Lyrae đến sao Gamma Lyrae.
Để nhìn thấy M57 tốt nhất nên dùng kính viễn vọng 20 cm (8 inch), nhưng chỉ với kính viễn vọng 7,5 cm (3 inch) cũng nhìn thấy được vòng của tinh vân. Với những dụng cụ lớn hơn sẽ nhìn thấy được những vùng tối hơn ở các cạnh phía đông và phía tây của tinh vân, và một số tinh vân nhỏ mờ bên trong đĩa của tinh vân Chiếc Nhẫn.
Tinh vân này được Antoine Darquier de Pellepoix phát hiện ra vào tháng 1 năm 1779, và ông viết về nó "...lớn như Sao Mộc và giống như một hành tinh đang mờ dần đi.". Sau đó vài tháng, Charles Messier đã độc lập phát hiện ra tinh vân này khi ông đang tìm kiếm các sao chổi. Ông thêm vào danh lục của mình với thứ tự 57. Messier và William Herschel cũng chú ý tới là tinh vân này có chứa nhiều ngôi sao mờ mà không thể nhìn rõ dưới kính thiên văn của họ.
Năm 1800, Friedrich von Hahn đã khám phá ra ngôi sao trung tâm mờ ở tâm của tinh vân. Năm 1864, William Huggins kiểm tra phổ của rất nhiều tinh vân, đã khám phá một trong số những tinh vân này, trong đó có M57, xuất hiện vạch phổ phát xạ sáng đặc trưng bởi khí phát sáng huỳnh quang. Huggins kết luận là nhiều tinh vân hành tinh không phải là tổ hợp của các ngôi sao chưa được nhìn rõ, như đã từng được nghĩ trước đây, mà thực ra chúng thực sự là các tinh vân.
Nguồn gốc.
Các tinh vân hành tinh được hình thành sau khi các sao có khối lượng nhỏ và trung bình, như Mặt Trời, cạn kiệt nhiên liệu hydro ở lõi của ngôi sao. Tại thời điểm này cấu trúc của ngôi sao thay đổi để đạt đến điều kiện cân bằng mới để nó có thể tiếp tục đốt nhiên liệu; lớp bên ngoài của ngôi sao nở ra và nó trở thành một sao khổng lồ đỏ. Sau đó những sự mất cân bằng nhiệt độ tại lõi sao do các phản ứng nhiệt hạch, làm cho lớp khí quyển bên ngoài bị thổi bay đi bởi các luồng siêu gió nóng thổi liên tục hoặc bởi một vài xung năng lượng lớn. Lớp vỏ khí nở rộng này tạo nên tinh vân có dạng cầu, được chiếu sáng bởi năng lượng các tia cực tím từ ngôi sao trung tâm.
Đặc tính vật lý.
Tinh vân nằm cách Trái Đất 0,7 kpc (hay 2.300 năm ánh sáng). Nó có độ sáng biểu kiến là 8,8v và độ sáng trên ảnh chụp là 9,7p. Về mặt ảnh chụp, theo chu kỳ 50 năm, tốc độ giãn nở của tinh vân Chiếc Nhẫn khoảng gần 1 cung giây trên một thế kỉ, tương ứng với quan sát trên phổ kế là 20–30 km−1. M57 được chiếu sáng bởi một sao lùn trắng ở tâm hay bởi một nhân tinh vân hành tinh với độ sáng biểu kiến là 15,57v, với khối lượng xấp xỉ 1,2 MΘ.
Hầu hết các phần bên trong của tinh vân có màu xanh da trời-xanh lá cây là do vạch bức xạ của ion kép oxy tại bước sóng 495,7 và 500,7 nm. Những quan sát như vậy còn được gọi là "vạch cấm" chỉ xuất hiện trong những điều kiện mật độ thấp chỉ gồm vài nguyên tử trên một xentimét khối. Vùng bên ngoài chiếc nhẫn, phần màu đỏ là do bức xạ của hydro tại bước sóng 656,3 nm, một phần của các vạch trong dãy Balmer. Các vạch cấm của ion Hydro và [N II] làm cho đỏ hơn tại các bước sóng 654,8 và 658,3 nm.
Cấu trúc tinh vân.
M57 là một ví dụ của một cấp tinh vân hành tinh gọi là tinh vân lưỡng cực, với các vòng xích đạo dày trải rộng thấy được cấu trúc đó qua trục đối xứng chính của nó. Nó dường như là một hình phỏng cầu thuôn dài với các tập trung mạnh của vật chất dọc theo xích đạo của nó. Từ Trái Đất, trục đối xứng được nhìn ở góc khoảng 30°. Tổng thể, độ mờ đục quan sát được hiện tại được ước tính là trải rộng khoảng 1.610±240 năm.
Các nghiên cứu cấu trúc cho thấy tinh vân này thể hiện các nút với đặc trưng là tính đối xứng phát triển cao. Tuy nhiên, chúng chỉ là hình bóng nhìn thấy đối với phát xạ nền của vòng xích đạo của tinh vân. M57 có thể bao gồm các vạch phát xạ N II định vị tại các chỏm nút đối mặt với nhân tinh vân hành tinh (PNN); tuy nhiên, phần lớn các nút này là trung hòa và xuất hiện chỉ trong các vạch tiêu quang. Sự tồn tại của chúng chỉ ra rằng chúng có lẽ chỉ nằm gần hơn với frông ion hóa so với các nút tìm thấy trong tinh vân IC 4406 trong chòm sao Sài Lang (Lupus). Một số nút thể hiện các đuôi phát triển cao, thường là có thể phát hiện trong độ dày quang học từ phổ nhìn thấy
Nhân tinh vân hành tinh (PNN).
PNN trung tâm được nhà thiên văn Hungary là Jenő Gothard phát hiện ngày 1/9/1886 từ các bức ảnh chụp tại đài thiên văn ở Herény, gần Szombathely (hiện nay thuộc Szombathely). Trong vòng 2000 năm gần đây, tngôi sao trung tâm của tinh vân Chiếc Nhẫn đã rời bỏ nhánh khổng lồ tiệm cận sau khi cạn kiệt nguồn cung cấp nhiên liệu hydro của nó. Do vậy nó không còn sản sinh năng lượng thông qua phản ứng hợp hạch và theo thuật ngữ tiến hóa sao thì hiện nay nó đang trở thành một sao lùn trắng cô đặc.
PNN hiện nay hợp thành chủ yếu từ cacbon và oxy với một vỏ bọc ngoài mỏng hợp thành từ các nguyên tố nhẹ hơn. Khối lượng của nó khoảng 0,61–0,62 khối lượng Mặt Trời, với nhiệt độ bề mặt khoảng 125.000±5.000 K. Hiện tại nó khoảng 200 lần chói lọi hơn Mặt Trời, nhưng cấp sao biểu kiến của nó chỉ là +15,75.