天文學家利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)觀察鯨魚座方向、青少年期的星系成長的狀況;這是這類巡天工作中規模最龐大的一次。由巡天資料,天文學家發現年輕星系的進食習慣會隨著它們成長而改變。這些年輕星系大都位在大霹靂後約30~50億年的時期中。它們最初會像吃喜愛的小點心般,緩慢而平穩的吸收氣體;但之後,絕大部分星系開始狼吞虎嚥,以其他較小星系為主食。
天文學家已知宇宙早期的星系比現今宇宙中的螺旋星系和橢圓星系都小很多。這些星系必須藉由進食才能逐漸成長茁壯,但它們得的進食習慣究竟為何,迄今仍是未解之謎。因此由法國IRAP的Thierry Contini等人利用VLT進行MASSIV(Mass Assembly Survey with SINFONI in VVDS)巡天工作,觀測那些被挑選過、約大霹靂後30~50年的星系;以星系生命期來看,這些星系位在宇宙早期,相當於人類的青少年期,相當年輕,因此星系中充滿氣體。
類似MASSIV巡天工作中所偵測的遙遠星系,通常都非常昏暗,因此必須利用解析度高的望遠鏡和靈敏度高的偵測儀器才能觀察到它們的細節。在VLT望遠鏡和SINFONI近紅外光譜相機的協助下,Contini等人才能觀測到星系各個部分如何運動以及組成成分是什麼等等。雖然如此,Contini等人仍盼望未來歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope,E-ELT)建成之後,類似的巡天工作可以帶給他們更多驚喜。
北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。
● 哈伯的觀測
2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。
● ALMA 的觀測
ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。
最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。
此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。
Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.