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ALMA首篇科學觀測成果發現:環繞北落師門的行星質量遠小於原先認定

2012/05/01 | | 標籤:

在天空中距離地球僅只有25光年,並且比太陽更亮20倍的北落師門(Fomalhaut)本身是個明顯易見的天體, 天候良好時,肉眼就可看到。但它的名氣有一部分更是來自於它的行星:Form b。在2008年時,就有學者透過哈柏望遠鏡觀測到這顆恆星的冰環內部似乎有一個移動的天體,不過Form b究竟是否存在,因為難以確認, 一度曾是天文學裡的暗啞之謎,一時無人能解。不過,ALMA的新觀測中已經開始為大家揭曉這個謎底。它證實:這個薄冰環無論內緣和外緣都是很銳利地突然切斷的。在數值模擬更進一步協助下,科學家認定:在環中的塵埃粒子其實是受到兩顆行星的重力牽制,被侷限在環中。兩顆行星中,一顆行星距離恆星是比環近,另一顆則比較遠。

模擬結果也得出行星質量的可能大小 –比火星略大,但不會比地球大很多倍,這讓天文學家跌破眼鏡,因為原先估得太大了~2008年時,哈柏望遠鏡觀測這顆內側行星時,曾以為這顆行星比土星還大,土星是太陽系中排名第二大的行星,不過後續的紅外線觀測,卻沒能找到這顆行星的影蹤。

如此一來,部分學者就質疑哈柏所看到的那顆行星其實根本不存在。並且哈柏在可見光波段所觀測到的極微小的粒子、因為被恆星的輻射向外推,使塵埃環結構變得有些模糊難辨。但ALMA是在(比可見光波)更長的波段裡進行觀測,它找到一些體積較大一點點的塵埃粒子 – 直徑約一毫米 – 並未受到母星的輻射而被推動,因此在ALMA的觀測下,就可以清楚顯示出盤的銳利邊緣及狀似「戒指」的環形結構,這可能是兩顆行星重力作用造成的結果。

曾獲頒Sagan Fellow獎的佛羅里達大學教授Aaron Boley表示:「結合ALMA觀測到的戒指環狀以及電腦模型得出的結果,我們能為任何靠近環結構附近的行星可能的質量大小和軌道很明確地訂出上下限。」Boley還進一步補充說:「我們認為這些行星的質量必然是非常小;否則行星應該已經把環狀結構破壞。」而正因行星的質量小,或許可以解釋為什麼先前的紅外線觀測裡看不到它。

同樣也來自佛羅里達大學的Matthew Payne表示,ALMA的研究顯示環狀結構寬度約為日地距離的16倍,厚度則只有寬度的1/7,「這個環也比先前所以為的更窄、更薄。」

Aaron Boley表示:「這個環距離母恆星有140AU,相較之下,在太陽系中,連冥王星距離太陽也只有40AU。運轉在距離恆星這麼遠的軌道上並且質量又這麼小,意味著這些行星,有可能是我們目前已知,繞行正常恆星的行星當中,溫度最低者。」

科學家進行北落師門觀測的時間是2011年9月左右,當時,66個天線碟還只完成了1/4。ALMA這座嶄新的望遠鏡,目前仍在施工中,明年全部完成時,完整系統將具有更強的觀測能力。即便是尚未完工,現在的ALMA也已經開始能為先前在毫米級觀測中困惑人的問題揭開朦朧面紗。

在ALMA協助下,天文學家獲得極有價值的證據,可明瞭這類行星系統如何形成和演化。本篇研究發現是ALMA進入公開觀測後階段(Phase 0)的第一篇科學論文發表。

附註:科學家第一次觀測到行星(或衛星)使塵埃環維持著鋒利邊緣的作用,是在1980年當Voyager 1飛抵土星時,它取得了土星環系統的細部圖像。以太陽系的天王星為例,其衛星:Cordelia 和 Ophelia也是「圈牧」著天王星的epsilon環,正和本次ALMA對北落師門(Fomalhaut)所觀測到的現象一樣,有著「環緣很銳利」的特色。這種會將行星環加以限制的衛星有個浪漫的名字:「牧羊衛星」。衛星或行星是藉由重力效應侷限住塵埃環。原因是在環內的行星繞行恆星的速度比環上的塵埃粒子還更快,它的重力為粒子增加能量,將它們向外推。在環外的行星,速度則比塵埃粒子慢,其重力減慢了粒子的能量,使它們略向內縮。(Lauren 譯)

該篇論文可參考:Constraining the Planetary System of Fomalhaut Using High-Resolution ALMA Observations.

圖片說明:來自ALMA的一張新照片讓我們更清楚看到環繞在北落師門周圍的塵埃環。位在圖片正中央的北落師門(Fomalhaut),是一顆明亮恆星,天候良好時,肉眼就可看到。藍色的部份是早先由哈柏望遠鏡所拍攝的照片,ALMA取得的圖像是右半部橘色的部份,在ALMA的協助下,天文學家對於這個距離地球相當近的行星系統有了重大而具突破性的認識,並且能更明瞭這類行星系統的形成和演化。目前ALMA只觀測了這個塵埃環的局部。

資料來源:中研院天文網[2012.04.20]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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