行星状星云（Planetary Nebula）是恒星演化至末期阶段形成的独特天体结构，呈现出如圆盘状、环状或其他复杂且常具对称性的外观，属于发射星云的一种类型。其命名源于早期观测时，在望远镜中这类星云展现出类似天王星、海王星等行星般略带绿色且边缘明晰的圆面。然而，它们与行星并无本质联系 。
一、形成机制
行星状星云主要源于质量介于太阳质量 0.8 至 8 倍之间的恒星的演化。当这类恒星核心的氢燃料耗尽，核聚变反应逐渐停止，辐射压无法再支撑恒星巨大的外层物质，恒星便开始膨胀成为红巨星。在红巨星阶段，恒星的核心继续收缩，温度持续升高。当核心温度达到约 1 亿 K 时，氦开始聚变成碳和氧。但由于恒星质量的限制，核心无法进一步收缩至引发碳和氧核聚变所需的高温 。
随着恒星内部核反应的不稳定，其外层物质以每秒 100 – 1000 公里的速度被抛射出去，形成一股强劲的 “星风”。这些被抛射的物质在恒星周围逐渐聚集，形成气体和尘埃壳。与此同时，恒星内部裸露的核心逐渐演变为高温的中心星，表面温度可达 30000K 以上，甚至更高。中心星发出的强烈紫外辐射使周围被抛射的气体原子电离，电离后的气体在复合过程中发射出特定波长的光，从而使整个星云发光，至此行星状星云形成 。
部分行星状星云的复杂形状可能与双星系统有关。在双星系统中，当其中一颗恒星演化成红巨星时，伴星的引力作用会干扰红巨星物质的抛射过程。例如，伴星可能会吸积红巨星的物质，形成围绕伴星的吸积盘，盘中物质会阻碍红巨星赤道方向物质的外流，使得物质更多地沿着两极方向喷出，进而塑造出非对称、复杂的星云形状 。
二、物理特性
- 形态与结构：行星状星云的形态丰富多样，从简单的圆形、扁圆形、环形到复杂的哑铃形（如狐狸座的哑铃星云 M27）、沙漏形（如南蟹状星云）、螺旋形（如 NGC 5189）以及具有瓣状、翅状结构的星云等。大约只有 10% – 20% 的行星状星云呈较为规则的球形对称，其余则具有各种轴对称或不规则形状。利用哈勃空间望远镜等先进观测设备，天文学家发现行星状星云内部存在纤维、斑点、气流和小弧等精细结构 。
- 物质构成：主要由恒星演化过程中合成的元素构成，与恒星的化学组成类似。包含氢、氦，以及恒星在演化过程中通过核聚变产生的重元素，如碳、氮、氧、硅、铁等。这些元素以气体（主要是电离气体）和尘埃颗粒的形式存在。通过对行星状星云光谱中不同元素发射线的分析，可以确定其物质成分及相对丰度 。
- 物理参数
- 大小：直径一般在 1 光年左右，但不同的行星状星云大小有所差异，从不足 0.1 光年到数光年不等。例如，较著名的天琴座环状星云（M57）直径约为 1 光年，而某些小型行星状星云可能只有 0.1 – 0.2 光年 。
- 质量：质量范围通常在 0.1 到 1 个太阳质量之间，这些质量主要集中在星云的气体壳层中 。
- 密度：星云气体的密度较低，一般在每立方厘米 100 到 10000 个原子（离子）之间 。
- 温度：气体温度处于 6000K 到 10000K 之间，而中心星的温度极高，可达 30000K 以上，有些甚至超过 100000K 。
三、观测特征
- 多波段辐射
- 光学波段：呈现出绚丽多彩的颜色，这是由于不同元素的发射线造成的。例如，氢原子的发射线产生红色（如氢 α 线），氧原子的发射线产生绿色或蓝色（如 [O III] 双线），氮原子的发射线产生红色（如 [N II] 线）等。这些不同颜色的发射线交织在一起，形成了行星状星云独特的视觉景观 。
- 射电波段：通过射电望远镜可以探测到行星状星云的射电辐射，主要来自星云内的电离气体和相对论性电子的同步辐射。射电观测能够揭示星云的结构、运动以及磁场等信息 。
- 红外波段：星云内的尘埃颗粒吸收恒星和气体的辐射后，会在红外波段重新辐射能量。红外观测可以帮助我们了解尘埃的分布、温度以及星云与周围星际介质的相互作用 。
- X 射线波段：高温的中心星以及被激波加热的星云气体可以产生 X 射线辐射。X 射线观测对于研究行星状星云的物理过程、中心星的性质以及星云与星际介质的相互作用等方面具有重要意义 。
- 运动特征：光谱观测显示，行星状星云的气体壳层在不断膨胀，膨胀速度一般为每秒 10 公里到 50 公里。通过对星云不同位置的光谱测量，可以得到气体的运动速度和方向，从而了解星云的动力学演化 。
四、行星状星云的演化与归宿
行星状星云的寿命相对恒星的整个演化历程较为短暂，平均约为 30000 年左右。随着时间推移，星云不断膨胀，气体逐渐稀薄，密度降低，其辐射强度也逐渐减弱。当中心星的温度降低，不再能提供足够的紫外辐射使星云气体电离时，行星状星云将逐渐消散 。
最终，行星状星云的气体和尘埃会重新融入星际介质，成为新一代恒星和行星形成的原材料。而中心星在失去行星状星云的包裹后，会继续冷却和收缩，逐渐演变为一颗白矮星。白矮星依靠其残余的热能继续辐射能量，经过漫长的时间，最终可能会冷却成为一颗黑矮星 。
在银河系中，估计存在着约 4 – 5 万个行星状星云，但由于星际消光的影响，大量的行星状星云被暗星云遮蔽，目前天文学家已观测到并编目的行星状星云约有 1500 个。在河外星系中，如仙女座星系（M31）已发现 300 多个行星状星云，大麦哲伦星系中发现 400 多个，小麦哲伦星系中发现 200 多个 。行星状星云作为恒星演化的重要阶段，对于研究恒星的生命历程、星系的化学演化以及星际介质的循环等方面都提供了关键线索，是现代天文学研究的重要对象 。
部分已知行星状星云
IC 418
