摘要

2017年時,筆者在新生恆星御夫座AB星所在的稠密氣體塵埃盤中,利用位在智利的阿塔卡瑪干涉陣列,首度窺見到兩個顯著的旋臂特徵位在塵埃空隙中,並認為那兩個旋臂極有可能是由隱藏在旋臂下的新生行星干擾附近的雲氣所形成。三年後,新生行星正在誕生中的(可能)直接證據,首度公開。利用歐南天文台「甚大望遠鏡」,天文學家更近一步觀測到行星正在形成時的精細特徵!


 

天文學和其他的科學最大的不同是,天文學家的實驗室遠在外太空,那些研究的物體距離我們都以光年為單位起跳。天文學家無法建造一個夠大的實驗室來驗證提出的假說,只能藉由用精準的望遠鏡以及儀器,看看其他處於演化不同階段的、類似的天體,來推得整個研究天體的形成過程。例如,我們只有一個太陽系,要研究像太陽系這樣的系統是怎麼生成的,勢必要看看宇宙中,有沒有其他繞著恆星轉的行星。第一顆在太陽系外繞著其他恆星運轉的行星於1995年首次被確認發現,自此,天文學界的重點研究課題之一,是研究行星究竟是在什麼樣的環境、在距離中心的恆星多遠以及是什麼時候生成。藉由研究其他「年紀」的行星所處的環境,我們便能推得太陽系是如何形成。

藉由觀測結果發現,星際間的物質主要是由氫氣、氦氣以及星際塵埃所組成的星際介質(interstellar medium)。當一個區域因為星際間的擾流作用、產生局部的區域物質密度變高,而這密度高到足以抵抗因為熱壓力或磁壓力等向外發散的力量,這個區域便會開始聚集附近的物質進行「塌縮」、進而產生核融合而生成恆星(主序星),當物質開始往中心塌縮直到形成主序星前,我們稱中心的天體為「原恆星」。目前推測天體約有好幾百萬年的時間處在原恆星階段,之後才能演變成像太陽系這樣的成熟系統。在這個過程中,因為物質向內塌縮的過程,也會帶進角動量,只有成功將角動量轉移到附近的物質,中心的原恆星才能成功地吸積物質進而壯大。因此,在眾多已知的原恆星中,幾乎都有個圍繞著原恆星轉的拱星盤(circumstellar disk),絕大多數的角動量便儲存在這拱星盤內,只有極小部分的物質成功丟掉角動量而掉進原恆星內。

因為恆星風以及宇宙輻射的關係,我們知道拱星盤上面的物質在這數百萬年間、會漸漸消散。而像太陽系這樣的系統,應該是在拱星盤還富含足夠形成行星材料的階段就生成了。我們知道太陽系內共有八大行星,比較靠近太陽的四顆行星稱之為「類地行星」、比較遠的四顆稱之為「類木行星」。天文界一直無法解答的,是這八大行星的生成與演化,他們是在目前的軌道上形成的嗎?還是經過漫長的演化、這些行星漸漸地遷徙到目前的位置?目前主流的學說(尼斯學說;the NICE model)認為,類木行星是在比較靠近太陽的位置生成,在拱星盤消散之後,因為多體重力的交互作用,這些比較重的類木行星後來才跑到目前的軌道上。為了驗證這個學說,我們需要找到更多拱星盤還沒消散前的行星形成,研究這些行星寶寶距離恆星多遠、有多重等等。

以往找尋系外行星受限於使用的方法,我們只能找到拱星盤上絕大多物質都已經消散時的行星,如果要探討更年輕的盤面上是否有行星、以及行星是處在哪個位置,需要能成功偵測盤面的物質分佈、並且穿透層層的雲氣來找尋隱藏在盤內的新生行星。然而,以目前的望遠鏡以及儀器的靈敏度來看,要直接取得新生行星的影像還是有相當高的難度。另一個找尋新生行星的方法是,我們可以研究盤面上的物質分佈、看看有沒有被擾動的跡象,進而推論隱藏在盤內的行星位置。根據理論預測,當行星在盤面上運行時,會收集軌道上的塵粒,形成「塵埃間隙」(即「空洞區」),同時也會產生盤上的螺旋波。要更明確知道早期行星能夠誕生的時間和地點,找到初生行星隱藏於盤上的確鑿證據,必須藉由能看得到盤之組成物質且具有高解析力的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)。

目前為止,僅有少數案例分別觀測到「塵埃間隙」或「旋臂」(spiral arms)。筆者領導的研究團隊在2017年取得的ALMA影像,第一次清晰呈現「有氣體旋臂在寬闊的塵埃間隙中」──兩者都同時觀測到了。首度發現在塵埃間隙的氣體旋臂暗示了此系統至少有2個行星:一個距離母恆星大約80個天文單位(1天文單位為太陽到地球的平均距離)造成了塵埃環;另一個距離恆星大約30個天文單位,造成我們看到的旋臂狀特徵。

(圖1) 御夫座AB星在御夫座方向,與地球相距約520光年,這張圖像清晰掌握到在御夫座AB星附近所出現的氣體旋臂結構(藍色)以及塵埃環(紅色)。其中,氣體懸臂位在塵埃間隙中。(出處:Tang et al. 2017, ApJ, 840, 1; 版權:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) 中研院天文所湯雅雯團隊)

先前在近紅外波段觀測到的御夫座AB星影像中,旋臂位於本次新觀測到的氣體旋臂內側(更接近恆星)。這可能是由於盤上的氣體旋臂凸起並且有相當的厚度,造成恆星的光大部份在旋臂內側被散射出來,形成近紅外波段看到的旋臂。除了三維空間的資訊,這些氣體旋臂還提供了運動速度的第四維觀點,更有助於了解行星和盤之間的交互作用。旋臂上的氣體運動速度大致上和盤的轉動速度一致,而只有在距離中心恆星30 個天文單位──疑似是行星形成的地方──氣體運動速度比較快,意味著靠近行星的地方,這些氣體繞著行星運轉。

2019年及2020年初,由法國的Anthony Boccaletti所主持的研究團隊,成員包括筆者、法國、美國和比利時的天文學家,運用甚大望遠鏡(VLT)上的SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research)行星搜尋器,再度對御夫座AB星做了一次深入觀測──也是目前為止,對御夫座AB星最深入的一次觀測。

使用甚大望遠鏡取得最新觀測圖像的論文團隊第一作者,法國Meudon巴黎天文台的Anthony Boccaletti表示:「目前我們能辨識到的系外行星數量大約有數千個,但關於系外行星如何形成,所知還是不多。天文學家已經知道的是:行星是在新生恆星附近形成(譬如「御夫座AB星」就是新生恆星),並且在新生恆星附近,有溫度較低的氣體塵埃互相結成團塊的過程正在進行。而今,甚大望遠鏡的新觀測,對於這種過程究竟如何發生,提供了關鍵證據。」

筆者則認為:「要抓住行星誕生的剎那,必須要觀測很年輕的『恆星-行星系統』。如果能取得這類新生星盤的銳利深入影像,就可直接辨別哪裡是行星形成的地方,但目前為止天文學家很少能取得那樣犀利的影像。」

(圖2) 圖像顯示圍繞年輕的御夫座AB星的一個盤面,「甚大望遠鏡」(VLT)在這裡發現了行星誕生的跡象。靠近圖像的中心,在圓盤的內部區域,看到了「扭結狀特徵」(以白虛線圓圈表示),科學家認為這標誌著一個行星正在形成。(出處:Boccaletti et al. 2020, A&A, 637, L5; 版權:ESO/Boccaletti et al.)

旋臂形的特徵,可說是嬰兒行星出現的重要前兆,因為行星寶寶會「踢」氣體,因此在盤面上形成漣漪,這類似於湖上的船會攪動湖面。當行星繞著中央恆星轉動時,波浪就會變成「旋臂」的形狀。研究小组認為,在圖2中心附近的亮黄色區域中,距離恆星相當於海王星相距於太陽的位置(約30 AU),就有著一個「正在形成行星」的擾動點。這個位置和筆者在2017年發表的論文吻合。

SPHERE是一種用來尋找「系外行星」的強大儀器,以能夠完成「直接對系外行星成像」的困難任務著稱。在SPHERE的成像系統協助下,這群天文學家能看得到細小塵埃顆粒發出的光,以及來自內側盤面的輻射,因而也得以確認2017年時首度由筆者透過ALMA望遠鏡所觀測到的,確實是旋臂。

我們這次透過SPHERE還發現到另一項新的特徵:扭結(twist),那是新生行星正在盤面上誕生的證據。扭結的出現符合行星形成理論的預期,說明了兩個旋臂是彼此相連,而其相連,也正是發生在行星所在位置上:相對於行星軌道,一個旋臂朝內,另一個朝外轉。它們能讓盤面的氣體塵埃吸積到正在形成中的行星表面,使得那裏發光,讓望遠鏡得以觀測的到。未來我天文學家將透過歐南天文台更新穎的「ELT望遠鏡」和 ALMA合作,探索系外行星,讓大家一睹形成中行星的更清晰樣貌,甚至直接精確看到,氣體對行星形成做出貢獻的動作,實際怎樣發生。