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某科學の超電報

ALMA 首見旋轉式噴流,揭露原恆星的成長過程!

2017/06/14 |

快訊分類學園都市必備 快訊標籤ALMA, 原恆星, 吸積盤, 噴流, 和 恆星形成

文/中研院天文所

原恆星(又稱「恆星寶寶」)噴發出來的噴流,是恆星形成時期一個最奇特的標桿。中研院天文所李景輝團隊使用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(簡稱 ALMA),以最新觀測首度證實:「噴流在轉動!」

此突破性成果不僅確認了噴流能將吸積盤最內緣過剩角動量帶走,解決天文學懸宕多年的難題,也讓吸積盤餵食原恆星的完整情境躍然呈現。

為什麼這個發現讓天文學家很興奮?

天文所副所長李景輝研究員表示:「在大多數恆星寶寶的案例中,我們都能看得到噴流,就像沿著吸積盤自轉軸飛馳而出的一串子彈。噴流的功能一直是個謎。它是否如目前的噴流發射模型所預測的,在轉動呢?但因其口徑極窄,且轉動幅度極小,所以過去一直無法確認。現在因為 ALMA 同時兼備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(太陽到地球的平均距離為 1 天文單位)的噴流,同時還偵測到其旋轉運動。」這看起來,「恆星寶寶彷彿每咬一口太空漢堡(吸積盤)就會射出一顆旋轉子彈。」

天文所賀曾樸院士表示:「吸積盤裡的角動量是恆星形成最棘手的一個難題,它會妨礙物質掉在中心恆星上。現在有噴流在最靠近盤的內圈那裏,把物質的多餘角動量帶走,那物質就很容易可以從盤面掉到中心恆星表面上了。」

觀測目標的特性和 ALMA 觀測的結果

HH 212 是位於獵戶座的一個鄰近原恆星系統,距離我們大約 1300 光年。中心的新生恆星誕生至今只有 4 萬年(是太陽目前年齡的十萬分之一),質量僅有太陽的五分之一而已。

而其中正在餵食原恆星的吸積盤,幾乎以它的側面面對地球,半徑約 60 個天文單位,盤中間有一道明顯的暗帶,夾在兩個明亮構造之間,這讓它外觀看起來就像個「太空漢堡」。此外,位在系統中心的原恆星,還驅動了強而有力的雙極噴流。藉由對此噴流的觀測,可進一步探討吸積盤是如何餵食原恆星。

早先在望遠鏡解析力大約是 140 個天文單位時,研究團隊無法確認噴流會不會轉動。現在 ALMA 解析力提升到 8 個天文單位,比原來好 17 倍,果然偵測到噴流在旋轉。噴流的角動量非常的小,換算得知噴流噴發的位置,應該就在吸積盤上,距離中心恆星約 0.05 個天文單位的地方,和目前的噴流發射理論相當吻合。(水星至太陽距離約為 0.4 個天文單位,約為噴流噴發位置的八倍遠。)

從餵食中心原恆星的吸積盤噴出的旋轉噴流三維示意圖。(左圖)噴流兩側紅色部分正在遠離我們,藍色部分正朝我們靠近,綠色箭頭顯示的是噴流旋轉方向。吸積盤裡藍色代表的溫度比橘色的部分低。(右圖)鏡頭拉近到吸積盤最裡面的區域,靠近原恆星的物質吸積及噴流發射過程示意圖。本研究認為噴流是在距離原恆星0.05個天文單位的地方噴發出去,如圖中綠色箭頭所示。噴流帶走多餘的角動量,以讓該處盤面物質掉進中間的原恆星,如圖中藍色箭頭所示。目前的噴流模型預測噴流是中空的,但需要更高解析度的觀測來檢驗。圖/中研院天文所李景輝

新發現顯示,在原恆星周圍吸積盤(太空漢堡)最內圈區域,噴流的確將物質的一部分角動量帶走了,減慢了那裡的轉動,因此,中心恆星才能從吸積盤獲得物質。

在 HH 212 原恆星系統裡的噴流和吸積盤。(左圖)顯示從橘色的吸積盤之最內圈盤面,噴出綠色的分子噴流。此圖是 ALMA 在 8 個天文單位解析力下得到的觀測影像。吸積盤中間有一道暗帶,讓整個盤看起來像個漢堡。左下角以太陽系的海王星公轉軌道為比例尺,供讀者參考了解 HH 212 的吸積盤大小如何。(右圖)噴流的紅移部份(紅色,譜線紅移代表物體朝我們遠離)和藍移部份(藍色,譜線藍移表示朝我們靠近)分佈在兩側,顯示噴流在轉動(如綠色箭頭所標示)。紅色和藍色箭頭用來標示吸積盤的轉動方向,與噴流一致。圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所李景輝團隊

未來展望

這項研究開啟了未來利用 ALMA 高解析力,來觀測圍繞原恆星的旋轉噴流之可能性,這對恆星形成領域的噴流形成論述,具有極重要參考價值。此外,這項觀測對其它類型天體的觀測具有啟發效應,譬如星系裡的活躍星系核,在星系尺度上或許正扮演著和原恆星噴流類似的角色,具有帶走盤面角動量的功能。

HH212 與他周圍的吸積盤。圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/ Lee et al. – https://www.eso.org/public/images/potw1720a/, CC BY 4.0, wikimedia commons.

其他參考資料:

  • 研究論文篇名是 A Rotating Protostellar Jet Launched from the Innermost Disk of HH 212,發表於Nature Astronomy
  • 研究團隊名單:李景輝(臺灣中研院天文所;臺灣臺灣大學),賀曾樸(臺灣中研院天文所;東亞天文臺)、李志雲(美國維吉尼亞大學)、平野尚美(臺灣中研院天文所)、張其洲(美國哈佛史密松天文物理中心)、尚賢(臺灣中研院天文所)。

本文改寫自中研院新聞稿。

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia