http://tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/content.asp?mtype=c2&idx=1476ALMA:找到藏身在間隙難以發現的牧羊犬行星
論到夜空中最亮的天體,除了月亮以外,其次,應該就是軌道位在太陽系「內區」的那些內行星(inner planets)了。正是因為距離地球近,所以內行星反射的太陽光,才會比其他恆星還更亮。但系外行星不同,它們距離地球可是和它們的恆星「媽媽」一樣遠!因此,也非常非常暗;即使是最大的望遠鏡,要直接探測系外行星,仍然有難度。何況,緊隨在行星旁邊的恆星,通常比這些系外行星更亮上十億倍,再加上地球大氣為這些星光影像還添加「模糊」和「擴大」等效果,結果是,系外行星通常都極難可見。Van der Marel等人組成團隊最新研究成果顯示,天文學家在這些問題上最近已大有突破,並且取得了原行星盤的圖像。「原行星盤」是環繞在新生恆星周圍的氣體和塵埃(呈盤狀),也供應即將形成行星所需的材料和誕生場所。該團隊的觀測結果顯示:早在其初生時期,系外行星顯然已經從系統的內區「著手」,開始清除原行星盤物質!
想了解行星形成的來龍去脈,首先需要先找到一些行星系統,而且它的原行星盤是屬於可偵測到的,再來就可開始釐清原行星盤演化和行星形成這兩者間的關係。譬如存在於「原行星盤演化」和「行星形成」兩者間的交互作用,就可提供不少線索;能說明這類系統的現成最佳模型,可能是我們耳熟能詳的土星環或木星環喔。不難想像,在衛星和盤之間,因為有彼此的引力相互作用和角動量交換,這能在原行星盤上打開一個缺口,並且讓此缺口一直持續保留。可以說,環與環間的縫隙是由「牧羊犬」衛星維持。不過,在觀測上,偵測環與環間的縫隙,當然比直接偵測到牧羊犬衛星來得容易,不僅是因為縫隙面積大,並且也因為間隙和環之間的反差比較強。
2015年,全球最大地面型天文臺,阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)在電波波段為金牛座HL星的原行星盤取得了一張圖像,該原行星盤是環繞在一個名為「金牛座HL星」的恆星周圍,這個恆星仍處於恆星生命週期的新生期。因為ALMA望遠鏡對原行星盤上的冷塵埃有極高的靈敏度,圖像顯示金牛座HL這個新生恆星的原行星盤上,真的有環和間隙存在(圖1),這情形和環繞著土星的土星環還真的幾乎一模一樣!此圖一出,證明了「好幾個將形成行星之天體在同一原行星盤上形成」的系統確實存在。天文學界久候多時的證據,終於由ALMA取得。
最近,Van der Marel等人,進一步使用ALMA望遠鏡觀測了一組「過渡」盤('transitional' disk)案例,這種「過渡盤」,形成於類太陽恆星的周圍,在盤的最內側,也就是相當於該系統的中心區域,有塊空腔(cavity),也就是個空心洞區域,行星形成時的所謂「清除原行星物質」階段,可能就是從「過渡盤」這個地方率先發難。
善用ALMA極高的角分辨力,研究團隊不僅提高觀測圖像的解析度,此外,他們還使用一氧化碳(CO)稀有同位素碳的相關譜線來辨識這種存在於過渡盤中的氣體。在過渡盤中確認到氣體的存在,這對行星形成的進一步相關研究是很重要的一環,因為在星際介質中,氣體和塵埃的比例通常可達100:1,氣體的豐度遠高於塵埃,但是在原行星盤上,則通常相反,塵埃比氣體豐度多好幾倍。還有就是,這支研究隊伍這次針對塵埃的觀測,藉由詳細整理塵埃連續光譜(波長涵蓋範圍大,而非僅只是範圍較窄的譜線),他們選擇了最有利的觀測儀器──ALMA大型毫米及次毫米波陣列──來進行這個研究,因為,在次毫米波段觀測塵埃,最能壓低來自恆星光的干擾;我們知道,該恆星距離所觀測的過渡盤是非常非常近。
根據測量的一氧化碳結果,該團隊發現,在他們研究的每個案例中,塵埃的中心空腔區都不是完全沒東西的,而是含有氣體。更具體地說,他們觀察到「塵埃空空」區的直徑範圍約為25到60AU(1AU是地球到太陽的距離),而「氣體空空」區的直徑範圍約為7〜30 AU。在塵埃空腔區(意思是在該區之中幾乎不剩塵埃,但仍有氣體)那裏,氣體和塵埃的比例非常懸殊,達到10,000:1,氣體比塵埃多一萬倍。研究團隊認為,在空腔區中氣體和塵埃稀有到幾乎殆盡的原因,可能有二種:一,是受中央恆星的電磁輻射加熱而消失;二,是受到一個看不見的「牧羊犬行星」擾動的結果。
行星的重力位,藉引發軌道共振,能夠在盤上打開小間隙。也就是,行星穩定而規律地和原行星盤物質持續發生相互引力作用。但在盤上的氣體黏度允許盤物質的角動量從共振點傳送出去;這種傳送讓氣體可以回填間隙。像這樣的相互作用,持續發生在氣體與行星之間時,可能帶來三種結果:1,行星軌道向內遷移;2,行星和盤之間角動量傳輸取得平衡;3,物質持續吸積到行星表面上。
盤和行星之間的角動量與能量如何交換?要詳細說明這樣的物理機制的確複雜,不過,從許多計算結果已知,如果謹慎設定邊界條件及盤黏度,在一定原則下,氣體空腔和塵埃空腔這兩個數值的相對比例,亦不失為一種可測量牧羊犬行星質量是多少的方法。藉由這種測量辦法,從觀測資料整理比較了四個原行星盤中心空腔中的氣體之性質,van der Marel等人估計出,一個存在但是看不見的牧羊犬行星,其典型質量應大約為木星10倍左右。想比較看看的話,他們所觀察的這些系統中,盤的平均質量約木星的50倍。有趣的是,塵埃空腔區的尺寸,通常大小和海王星軌道差不多。這意味著,在這樣的系統中所發生的行星形成過程,可能也和太陽系中曾經發生的過程類似!
與ALMA將締造的研究成果未來會掀起的風起雲湧相比,這次研究成果或許只算前奏曲,但精密測量CO光譜線這樣的能力,的確至關重要,因為這讓氣體盤內的運動變得可以測量。這次 ven der Marel 團隊的結果也清楚呈現出盤的旋轉運動,如果再有靈敏度更高的數據,我們將進一步可以看到氣體流入的動作和結構。這些相關研究結果將為我們展現,和太陽系一樣的多行星家族,一開始到底如何組合成形的一幕幕逼真畫面。