TINH VÂN KHÍ
Sự quan trắc bằng kính viễn vọng cho phép phát hiện trên bầu trời một số lượng lớn những vệt sáng lờ mờ: những tinh vân sáng. Từ thế kỷ XVIII, Uyliam Hecsen đã bắt đầu nghiên cứu một cách có hệ thống các tinh vân. Ông chia chúng thành hai loại: trắng và xanh lục nhạt. Tuyệt đại đa số tinh vân trắng được cấu tạo bởi tập hợp vô số các sao - đó là những quan sao và thiên hà còn một số lại liên quan với bụi giữa các sao. Bụi này phản chiếu ánh sáng của những sao ở gần. Tinh vân loại này có tên gọi tà tinh vân phản chiếu. Thông thường, trong tâm của một tinh vân như vậy thấy có một ngôi sao sáng chói. Còn tinh vân màu xanh lục nhạt chính là sự phát sóng của khí giữa các sao.
Tinh vân lớn của chòm sao Thợ Săn (Orion nebula) là tinh vân khí sáng nhất trên bầu trời của ống nhòm ta có thể nhìn thấy nó, thậm chí cả bằng mắt thường nếu có thị giác tốt. So với ba ngôi sao cùng trên một đường và tạo ra Thắt Lưng của Thợ Săn (Orion) thì nó nằm thấp hơn một chút. Khoảng cách đến tinh vân đó là khoảng 1000 năm ánh sáng.
Điều gì làm cho khí giữa các sao phát sáng? Bởi lẽ thứ không khí quen thuộc với chúng ta vẫn trong suốt và không phát sáng đó sao! Bầu trời xanh trên đầu chúng ta phát quang bởi ánh sáng Mặt Trời khuếch tán ở các phân tử không khí. Ban đêm bầu trời trở nên tối. Thế nhưng cũng có lúc có thể nhìn thấy không khí phát sáng, chẳng hạn, trong cơn giông xuất hiện sét do tác động của. Sự phóng điện. Ở những vĩ độ bắc và trên vùng Châu Nam Cực, trên bầu trời thường xuất hiện những hào quang - những dải và những cột ánh sáng nhiều màu sắc. Trong cả hai trường hợp
không khí bức xạ ánh sáng không phải tự bản thân nó mà là do sự tác động của dòng các hạt nhanh. Dòng êlectron sinh ra chóp loé sáng, còn những hạt có năng lượng cao từ các vành đai bức xạ trong không gian vũ trụ gần Trái Đốt khí roi vào khí quyền Trái Đất sinh ra hào quang cực (cực quang). Sự bức xạ trong đèn nêon và các loại đèn khí khác cũng phát sinh bằng cách đó: dòng các êlectron bắn phá các nguyên tử của khí và buộc chúng phải phát sáng. Màu của ánh sáng được phát ra phụ thuộc vào loại khí ở trong đèn, vào áp suất của khí đó và vào điện áp của bóng.
Trong khí giữa các sao cũng có những quá trình dẫn đến sự bức xạ ánh sáng nhung chúng không phải lúc nào cũng là do sự bắn phá khí bởi các hạt nhanh.
Dựa trên thí dụ hyđrô nguyên tử có thể giải thích sự phát sáng của khí giữa các sao xuất hiện như thế nào.
Nguyên tử hyđrô gồm hạt nhân (prôton) có điện tích dương và êlectron có điện tích âm quay quanh nó. Chúng liên kết với nhau bởi lực hút điện. Có thể tách chúng nếu sử dụng một năng lượng nhất định. Sự tách ra ấy sẽ dẫn đến sự ion hoá nguyên tử. Nhung các êlectron và hạt nhân có thể liên kết lại với nhau và năng lượng lại được giải phóng ra mỗi khi các hạt liên kết lại. Nó bức xạ dưới dạng từng suất (lượng tử) ánh sáng với một màu nhất định tương ứng với năng lượng đó. Vậy là để khí có thể bức xạ, cần phải ion hoá các nguyên tử cấu thành khí đó. Điều đó có thể xảy ra khi các
nguyên tử đó va chạm với những nguyên tử khác. Nhưng nói chung sự ion hoá thường phát sinh khi các nguyên tử khí hấp thụ các lượng tử bức xạ tử ngoại từ ngôi sao gần nhất.
Nếu một ngôi sao xanh lam nóng cháy bùng bên cạnh đám mây hyđrô trung tính thì các nguyên tử của đám mây sẽ hấp thụ hầu hết các lượng tử tủ ngoại từ ngôi sao đó với một điều kiên là đám mây phải đủ lớn và đủ nặng. Xung quanh ngôi sao hình thành dần vùng hyđrô ion hoá.
Các êlectron được giải phóng sẽ tạo ra khí êlectron có nhiệt độ khoảng 10.000 độ. Khi êlectron tự do bị prôton chiếm lại sẽ xảy ra quá trình tái tổ hợp, ngược lại với quá trình ion hoá kèm theo sự tái bức xạ năng lượng được giải phóng dưới dạng các quang tử (lượng tử ánh sáng).
Không chỉ có hyđrô mới bức xạ ánh sáng. Trong thế kỷ XIX, người ta đã cho rằng màu của các tinh vân xanh lục nhạt được ấn định bởi sự bức xạ của một nguyên tố hoá học "trên trời" nào đấy có tên gọi là nêbuli (từ tiếng La tinh nebula lờ tinh vân).
Nhưng sau này mới phát hiện ra rằng màu xanh lục là do ôxy phát ra. Một phần năng lượng của sự chuyển động của các hạt khí êlectron được tiêu hao vào việc kích thích các nguyên tử ôxyl tức là vào việc chuyển dịch êlectron trong nguyên tử ở xy ra quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Khi êlectron trỏ về quy đạo ổn định, nguyên tử oxy phải phát ra quang tử màu xanh lục. Trong những điều kiện của Trái Đất nó không kịp làm điều đó: mật độ khí quá cao và những va chạm thường xuyên "giải toả" nguyên từ bị kích thích. Còn trong môi trường cực loãng giữa các sao từ sự va chạm nọ đến sự va chạm kia phải mất khá nhiều thời gian để êlectron kịp thực hiện xong sự chuyển dịch bị cấm đoán đó và nguyên tử ôxy đã gửi vào không trung quang tử màu xanh lục. Sự bức xạ của nitơ , lưu huỳnh và một số nguyên tố khác nữa cũng xảy ra theo cách tương tự.
Tinh vân bộ ba
Như vậy, có thể hình dung vùng khí ion hoá xung quanh những sao nông như "một cái máy" đang chế biến bức xạ tử ngoại của sao thành bức xạ có cường độ rất lớn mà phổ có chứa các vạch của các nguyên tố hoá học khóc nhau. Và màu sắc của các tinh vân khí, như sau này người ta đã làm rõ, cũng khác nhau: tuỳ thuộc vào nhiệt độ và thành phần hoá học của khí, chúng có thể có màu xanh lục nhạt, màu hồng và các màu sắc khác nữa.
Tinh vân Bắc Mỹ trong chòm sao Thiên Nga
Tinh vân khí có các hình dạng khác nhau. Một số có dạng vành nhẫn với một vì sao nhỏ sáng ở chính giữa, ấy chính là các tinh vân hành tinh. Số khác lại gồm những sợi khí sáng riêng biệt. Nhiều tinh vân có dạng không quy chuẩn: trông nó như một vết mực bẩn. Khi quan sát qua máy lọc ánh sáng ta thấy một số tinh vân có thành phần từ những sợi riêng biệt. Tinh vân Cua nổi tiếng chính là một trong số đó, ấy là một ví dụ được nghiên cứu rộng rãi hơn cả về tàn tích còn lại của ngôi sao (sao siêu mới) đã nổ tung.
