中研院-挑戰卓越

揭密恆星成長初期的吸積盤與噴流面貌

2019/10/29 中央研究院企劃製作
圖/原恆星系統HH212吸積盤的大氣含有複合有機分子


四萬年前,人類還在歐亞大陸上四處探索時,天空中某處有個小恆星誕生了。這個新生的恆星「吞食」身旁稠密的氣體與塵埃、逐漸成長,並且拋出身旁的一些物質、在兩側分別形成一道旋轉的噴流,以便持續吞食物質。這是恆星形成最初期的面貌,是中央研究院天文及天文物理研究所研究員李景輝團隊的突破性觀測成果。


他們藉由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)觀測原恆星系統HH 212,獲得了在恆星形成最初階段便有吸積盤的證據,也首度證實噴流在轉動,其成果陸續發表於2017 年4 月的《科學進展》(Science Advances)與2017 年6 月的《自然.天文學》(Nature Astronomy),吸積盤與噴流的新發現讓長年費解的恆星成長難題有了答案。


恆星誕生環境很複雜


這個費解的難題源自恆星的誕生環境。恆星誕生自溫度低且密度高的分子雲中:當分子雲周圍發生變化造成重力不穩定,其內部密度較高的氣體因而開始聚集,一旦這團氣體的重力大於氣體聚集時所產生的熱壓力,就會塌縮成「原恆星」。在恆星形成的最初階段,原恆星的周圍仍然留有氣體與塵埃,這些氣體與塵埃會形成繞行著新生恆星的盤狀結構(稱之為「吸積盤」),但理論上原恆星產生的磁場會減慢氣體與塵埃的繞行速度,天文學家無法良好解釋吸積盤究竟如何成形。再者,新生恆星的噴流半徑極窄,轉動幅度可能極小,長久以來他們無法透過觀測確認噴流是否在轉動,使得噴流的功能成謎。


因此,尋找新生恆星最初階段的吸積盤、解析吸積盤的結構,進而揭開吸積盤的形成機制、恆星的吸積過程如何運作,以及雙極噴流的作用,成為天文學界的重要題目。然而,恆星誕生環境並不單純。原恆星在剛形成時,周圍的氣體與塵埃依舊相當緻密,環繞著原恆星,使得原恆星與吸積盤從光學望遠鏡看來就像一團有陰影、「黑黑的」天體。不過氣體碰撞所發出的微波可以穿透這些物質,地球上的我們使用無線電波望遠鏡便有機會接收微波、觀測到它們。


原恆星系統HH 212 坐落於獵戶座,距離地球大約1300 光年,這個原恆星已經形成四萬年,質量是太陽的五分之一,而且雙極有明顯的噴流,意味著原恆星的吸積效率相當高。李景輝團隊早先以ALMA 解析力大約140個天文單位(1 天文單位是太陽到地球的平均距離)觀測HH 212,所取得的資料難以解析吸積盤的結構,或是噴流的旋轉運動,僅顯示出中心有扁平的盤狀外形,他們猜想原恆星周圍可能有微小的吸積盤。但若想清楚觀測HH 212 的更多細微結構,勢必需要提高解析力。


ALMA 位於智利的阿塔卡瑪沙漠,在海拔5,000 公尺高處,氣候乾燥且水氣少,非常適合毫米波及次毫米波的觀測,因為這個波段的訊號遇到水氣會明顯衰減。這座當前最大的無線電波望遠鏡陣列,由54 架口徑12 米與12 架口徑7 米的天線組成,總計66 架一同運作,是美國、歐洲各國和日本共同建造而成,於2013 年正式啟用。中央研究院天文所於2005 年與日本自然科學研究機構合作,加入「ALMA -日本」,成為ALMA 研究團隊的一員,2008 年與美國國家科學基金會合作,負責「前段次系統整合」,組裝並測試各國製作的接收機,而執行這些任務都仰賴科技部經費支持。


ALMA 顯神通

圖/太空漢堡
原恆星系統HH 212 具有吸積盤與噴流。(a) 在ALMA 的次毫米波段,以解析力200 個天文單位觀測塵埃包層和吸積盤(中間橘色);雙極噴流是疊合影像,分別來自甚大望遠鏡(McCaughrean et al. 2002)和ALMA(Lee et al. 2015)。再以解析力8 個天文單位獲得吸積盤的影像。(b)此吸積盤半徑是60 個天文單位,上下有亮區,其中有明顯暗帶,看起來就像「漢堡」。*符號是原恆星可能的位置,右下是以太陽系當做對比。(c)圖是運用理論模型估算的吸積盤結構與溫度分佈。
版權 ● ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所李景輝團隊。


李景輝團隊得力於ALMA 的解析力可以提高到8個天文單位,不僅觀測到吸積盤的結構,並且首度在次毫米波波段看到吸積盤上的暗帶。這個吸積盤的上下緣有亮區,其間是暗帶;這樣排列讓吸積盤看起來就像「太空漢堡」。李景輝說:「我們不只偵測到吸積盤,並且很清楚呈現其中許多結構細節。」這項觀測結果顯示了吸積盤的垂直結構,外圍厚中間薄,其剖面有如喇叭樣貌,而垂直結構的分析也讓天文學家進一步得知吸積盤上的塵埃如何聚集、增大成微行星(Planetesimal),為行星形成過程提供線索。


但吸積盤形成理論認為,新生原恆星的磁場非常強,磁場會減緩吸積盤的旋轉、妨礙物質聚集,而且過往天文學家從來沒有在恆星形成最初階段看到吸積盤,大多是在晚期階段才找到。李景輝團隊在最初階段便發現吸積盤,無疑是觀測上的重大突破,這項發現意味著磁場減緩吸積盤旋轉的效果並不如預期,挑戰現有的吸積盤形成理論。


至於雙極噴流的作用,如果吸積盤裡的物質繞行恆星的速度太快,無法落入恆星裡,恆星便無法繼續增大,分析噴流的運動可了解原恆星如何吞食吸積盤。李景輝團隊推算出噴流具有非常小的角動量,證實噴流在旋轉,李景輝說:「ALMA 兼具超高的空間和速度解析力,不僅解析到距離原恆星只有10 個天文單位的噴流,同時還觀測到其旋轉運動。」旋轉的噴流意味著噴流帶走吸積盤內緣部份的角動量,減緩吸積盤上物質的繞行,物質便可順利落入恆星裡。李景輝說:「恆星寶寶彷彿每咬一口太空漢堡,就會射出一顆旋轉子彈。」而這項觀測結果也符合中央研究院院士徐遐生在20 多年前提出的恆星形成理論。


1990 年代,徐遐生等人提出「X 風模型」(X-wind model),推論當分子雲密度較高的核心向中心塌縮、恆星誕生,而周圍的塵埃和氣體會形成吸積盤,繞著恆星運行。恆星會從吸積盤吞食氣體與塵埃,使得吸積盤上的物質逐漸往中心運動。恆星逐漸增大,但在成長過程中,部份物質帶走一部份的角動量,讓其他物質繼續落入恆星裡、餵養恆星;帶走角動量而旋轉的物質往雙極飛出,形成噴流。

圖/旋轉子彈
透過ALMA 觀測原恆星系統HH 212 的影像。(a)顯示出在恆星形成最初階段便有吸積盤(橘色)與噴流(綠色)。經由資料推算,噴流產生的位置在吸積盤上距離原恆星大約0.05 個天文單位。(b)標示出噴流的運動,紅移(物質遠離我們)與藍移(物質靠近我們)區塊分佈在兩側,顯示噴流在轉動(綠色箭頭),與吸積盤的轉動方向(紅藍色箭頭)一致。
版權 ● ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所李景輝團隊。


圖/藏有生機
原恆星系統HH 212 吸積盤的大氣含有複合有機分子。(a)例如氘代甲醇(綠色)、甲硫醇(藍色)、甲醯胺(紅色)。示意圖(b)呈現出吸積盤盤面(藍色)、大氣(粉紅色)和有機分子的大致位置,其中氫原子(白色)、氘(藍色)、碳(黑色)、氧(紅色)、氮(紫色)、硫(黃色)。
版權 ● ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所李景輝團隊。


生命分子浮現


李景輝團隊進一步分析HH 212 吸積盤的大氣,從大氣光譜發現上下盤面含有複合有機分子,其成果發表於2017 年6 月的《天文物理期刊》。李景輝說:「早先在恆星形成晚期的原行星盤上發現複合有機分子時,我們就想知道這種分子是否在更早期即已形成。」這些分子包括甲醇(CH3OH)、氘代甲醇(CD3OD)、甲硫醇(CH4S)、甲醯胺(CH3NO),可能會在行星形成時落入行星表面,轉變成生命的基本要素,為「生命起源」提供了線索。他們認為有機分子可能是在冰粒上形成,受熱後轉變為氣態。


對於HH 212 這類低質量恆星(包括太陽)而言,吸積盤與噴流在恆星成長扮演了重要角色。然而,吸積盤與噴流都太小,過往我們難以辨識。現在,天文學家有了ALMA 卓越觀測效能的幫助,可以在恆星形成最初階段確認吸積盤與噴流的作用,甚至還觀察到複合有機分子,不僅讓我們更加了解恆星與行星的起源,也可望解答生命的起源。


【研究者簡介】



李景輝
中央研究院天文及天文物理研究所研究員兼副所長
研究專長是恆星形成及演化,電波觀測及流體動力數值模擬


延伸閱讀

●關於HH 212 吸積盤研究的更多資訊,請見網頁

●關於中央研究院天文及天文物理研究所的最新研究進展,請見網站


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