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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

臺北天文館_96
・2012/05/01 ・1672字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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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臺北天文館_96
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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。

參考資料

CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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