從最老棕矮星尋找巨行星如何形成的新觀點

2012/03/19 |

太空天文

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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