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。
