キャッツアイ星雲
集中的な研究にも関わらず、未だに多くの謎がある。内側の星雲を囲んでいる同心円状のリングは数百年の間隔で放出されたように見えるが、このタイムスケールを説明するのは非常に難しい。惑星状星雲が最初に形成される原因になる熱パルスは数万年の間隔をおいて発生すると信じられており、より小さな表面の振動は数年から数十年の間隔で起こると考えられている。同心円状のリングを形成するのに必要なタイムスケールの間中ずっと物質が放出される仕組みはまだ分かっていない。
惑星状星雲のスペクトルは連続スペクトルと重なり合った輝線スペクトルから構成されている。輝線は衝突による励起か星雲にあるイオン、あるいはイオンの電子との再結合のいずれかによって生じる。衝突励起線は再結合線より遥かに強いため、歴史的に元素の存在度を決定するのに使われてきた。しかし、近年の研究でスペクトルに見られる再結合線から推定された元素の存在度は衝突励起線から推定された元素の存在度よりおよそ3倍高いことが分かった。この食い違いについては論争があり、非常に重元素に富んだ物質が存在している、あるいは星雲の中でかなり大きな温度の変動があるという説も出されている。
惑星状星雲の研究における長年の問題は、惑星状星雲までの距離が一般によく分からないということである。惑星状星雲までの距離を概算する多くの方法は、一般的ないくつかの仮定に基づいているが、それらは当の惑星状星雲については非常に不正確かも知れない。
しかし近年、ハッブル宇宙望遠鏡を使った観測により、新しい方法で距離が計測できるようになった。全ての惑星状星雲は膨張しており、数年を隔てて十分に高い角分解能で観測をすると、星雲がわずかに膨張しているのが分かる。膨張量は極めて小さく、典型的には1年に数ミリ秒以下に過ぎない。しかし分光による観測で、星雲の視線方向の膨張速度がドップラー効果を使って分かる。従って、膨張角度と既知の膨張速度により、星雲までの距離が計算できるのである。
ハッブル宇宙望遠鏡による数年を隔てた観測がNGC6543までの距離を計算するのに使われた。NGC6543の膨張量(空間的なひろがり)は1年あたりおよそ10ミリ秒であり、視線方向への膨張速度は16.4km/sであることが分かった。この2つの結果を組み合わせると、NGC6543は地球からおよそ1000パーセク(3×10 m)離れていることが分かる。
非常によく研究されている惑星状星雲である。赤経17h58.6m、赤緯+66°38′に位置する。このように赤緯が高いということは、歴史的に最も大きな望遠鏡が位置してきた北半球から観察しやすいことを意味する。ほぼ黄道北極に位置している。
長年視直径が60-80秒程度の星雲の内側部分のみが知られていたが、ここ数年の観測から視直径が386秒以上(約6.4分)に広がっているハローが周りに存在することがわかった。中心星が赤色巨星の段階だった時に放出された物質であると思われる。
観測により、星雲の主要部分の物質密度(=電子密度)は5,000粒子/cm3、電子温度は約8,000Kであることが分かっている。ハローの外部はそれよりいくぶん高い約15,000Kの温度で、かなり低い密度である。ハロー部の温度が高いのはハロー部(膨張速度:10km/sのオーダ)と中心星からの恒星風とのショックが原因であると思われる。
中心星は可視光で8.1等級であるが、温度が高く、高い光度を持っている。O型星であり、表面温度はおよそ80,000Kである。輝度は太陽のざっと10,000倍であり、半径は太陽の約0.65倍である。紫外域観測衛星(IUE)による分光観測から、中心星は質量を1年あたり3.2×10太陽質量、1秒あたり20兆トンという割合で失っていることが分かっている。この恒星風の速度は約1,900km/sである。中心星は現在、太陽質量を上回る質量を持っていると計算されているが、恒星の進化理論上の計算によると、初期の質量は太陽質量の約5倍あったと考えられる。
NGC6543は、紫外線及び可視光線の波長域で詳細に観測されてきた。分光器によるこれらの波長域の観測によって、極めて多くの測定がなされ、またこれらの波長域の画像によって星雲の入り組んだ構造が明らかにされてきた。
右に示したハッブル宇宙望遠鏡による画像は擬似カラーであり、高低のイオン化している領域を強調するようにしてある。それぞれ単独にイオン化された水素(波長656.3nm:Hα)、窒素(658.4nm:[N II]、)、酸素(500.7nm:[O III])からの光をフィルターで分離して、3枚の写真が撮影されている。Hαフィルタには[N II]654.8nmと[N II]6583.4nmの青側が混入し、[N II]フィルタには幾分Hαの赤側が混入していることに注意してほしい。これらの本当の色はそれぞれ赤、赤、緑であるが、3枚の写真はそれぞれ赤、緑、青の波長帯として合成された。この写真から、星雲の縁に主に窒素からなる2つの「キャップ」があるのが明らかになった。