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從最老棕矮星尋找巨行星如何形成的新觀點

臺北天文館_96
・2012/03/19 ・1713字 ・閱讀時間約 3 分鐘

天文學家利用赫歇爾太空望遠鏡(Herschel Space Observatory)觀察編號為2M107的特殊棕矮星(brown dwarf),這個棕矮星周圍擁有一個拱星盤(circumstellar disc)以及一個約5倍木星質量的行星級伴星。這是首次利用次毫米波段拍攝2M107系統影像,研究結果指出拱星盤中的物質總質量也相當於數倍木星質量。在年齡已高達1000萬歲的老棕矮星旁發現如此厚實的拱星盤,顯示這個它的行星級伴星應該是直接從拱星盤中形成。這項發現,再度掀起恆星和亞恆星旁巨行星究竟如何形成的爭議。

棕矮星是個地位尷尬的天體,質量介在一般恆星和行星之間,因質量不夠大而無法點燃或維持核心的核融合反應,所以無法當正式恆星;但它的質量又比尋常行星大,所以可以在其內部引起短暫的氘融合反應(氘(deuterium),重氫),這點就是行星比不上的地方。從1995年發現第一顆棕矮星至今,天文學家已經在我們的銀河系中找到數百顆這類天體,引起天文學家們對棕矮星起源的興趣。

如同恆星一般,有許多棕矮星周圍環繞著由氣體和塵埃構成的拱星盤或塵埃盤,而有些棕矮星周圍也已經找到有質量比木星還大、性質類似氣體巨行星的伴星的證據。既然這些行星級伴星天體和棕矮星之間的距離,比絕大部分已知的典型氣體巨行星和其母恆星之間的距離還大許多,行星級伴星受到棕矮星的影響相對而言小很多,天文學家因而將這些棕矮星伴星當作瞭解氣體巨行星如何形成的最佳研究目標。

目前關於恆星周圍氣體巨行星如何形成的物理機制主要有兩種理論,「標準」版本是核吸積(core accretion),另一個版本則是盤分裂(disc fragmentation)。前者是一開始是經由拱星盤內的塵粒聚集而先形成岩質核心,之後再經由這個岩質核心的重力將周圍的物質累積到岩質核心上,最後才長成一顆氣體巨行星。而在盤分裂版本中,拱星盤會因自身的重量而分裂成數個碎片,每個碎片的最小質量與拱星盤的總質量有關;這些碎片逐漸收縮變成原行星,最後才繼續發展演化成行星。這兩種理論也都能應用在棕矮星周圍天體的形成過程上。

理論建議:當離中間母天體一段距離外之處,盤分裂形成行星的效率比較好;這個條件與擁有行星級伴星的棕矮星相當,因此很適合用這樣的天體系統來測試哪種形成機制為正確。為此目的,由英國赫福郡大學(University of Hertfordshire)Basmah Riaz領軍的天文學家因而利用赫歇爾太空望遠鏡觀察2M107這個特殊棕矮星系統,希望能解開這個爭議。

2M107全名為2MASSW J1207334-393254,這顆約1000萬歲的棕矮星2M107A,質量約為木星的25倍,距離地球約170光年,屬於長蛇座TW星協(TW Hydrae association)這個低密度星群。2M107的行星級伴星2M107B,質量約為木星的5倍,組成以氣態為主,可能是顆氣體巨行星;事實上,由於它和2M107A之間相距達55AU之遠,比冥王星到太陽的距離(約40AU)還遠,讓它成為第一個直接拍到的系外行星。

Riaz等人利用赫歇爾上的SPIRE長波儀器,首度取得2M107的次毫米波段光譜。拱星盤主要由氣體所組成,但以次毫米波主要是偵測佔拱星盤很小部分質量的低溫塵埃;因低溫塵埃的分佈可以遠達拱星盤最外側,因此可允許天文學家藉低溫塵埃藉由追蹤低溫塵埃發出的次毫米波,可以瞭解2M107A周圍的拱星盤狀況。從赫歇爾的新觀測資料模擬結果,這些天文學家發現這個拱星盤的總質量相當於3~5倍木星質量,而物質分佈在半徑50~100AU之間。

既然2M2107A是目前已知擁有拱星盤的棕矮星中年齡最老的,因拱星盤中的質量會隨時間逐漸遞減,這些天文學家想瞭解究竟拱星盤質量和棕矮星的年齡間是否有關連。有趣的是,2M107A拱星盤質量與那些年輕得多的棕矮星的拱星盤不相上下,都僅有100萬年左右。這意味著棕矮星周圍拱星盤消散的時間過程,可能比正式恆星周圍的拱星盤還慢許多。

知道環繞棕矮星的拱星盤質量和大小後,這些天文學家由此窺得其行星級伴星的起源—這顆行星應該是經由盤分裂而形成,因為早期的拱星盤質量比較大,而且通過核吸積過程所需耗費的形成時間,遠大於拱星盤和這顆行星的年齡。這是首度有證據證明行星級天體可經由盤分裂方式形成,這個結論讓現行氣體巨行星的標準理論備受挑戰。然而,其實還有其他看法可以解釋這個系統的形成,例如:棕矮星和其伴星兩者可能同時形成,如同雙星系統一樣。因此,關於2M107的起源,並未完全結案,還有得爭議。

資料來源:Herschel’s new view on giant planet formation [2012.03.13]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域

CASE PRESS_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

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