行星在新生太陽系中形成──過程很早、很輕鬆

以前沒有照相機,任何人都不會知道自己剛出生長什麼樣子。有興趣的話,唯一的辦法就是去拜訪醫院產科的新生兒室,仔細地看看剛誕生的小嬰孩,假設大家剛出生時的模樣都差不多。

要是天文學家想回答46億年前我們的太陽系如何形成,解決問題的方法也類似。46億年前,太陽系附近沒有人拍照,當然沒有照片。不過,努力去看其他嬰兒太陽系,還是可以更了解行星怎麼形成。

最近,各國天文學家組成了一個很大的團隊,想研究這個題目。他們用ALMA望遠鏡觀測,對20個附近的嬰兒太陽系完成超特寫的詳細研究,有很多新發現。

我們已經知道,行星在新生恆星周圍一個扁平的圓盤中形成。這種圓盤叫做「原行星盤」。在原行星盤裡,塵埃或冰的顆粒聚集在一起,形成越來越大的物體。最終的結果是:幾個成熟的行星圍繞著中心的恆星運行。

溫暖的塵埃顆粒會發出毫米波,是ALMA 能擷取到的電波訊號。所以天文學家就可以根據這些資料,把年輕原行星盤中塵埃怎麼分布製作成塵埃分布圖。然後他們發現到,這些塵埃分佈不單只是不均勻,而且,每個盤都有一圈圈「亮亮暗暗」的亮環和暗隙,「亮環」會亮,表示那裏灰塵很多,暗暗的「空隙」則表示灰塵很少。

環和空隙可能是由一些已經開始形成的大行星的重力造成。可是,有些 ALMA 研究的恆星年齡甚至不到一百萬年!以前從來沒有人想過,巨大行星會在恆星誕生後這麼快就形成。

最新的 ALMA 圖像,幫忙解釋了小岩質行星的誕生之謎(地球的體型頗小,質地主要是岩石,在分類上正是屬於小岩質行星)。事實上,過去一直沒有人能搞懂微小塵埃粒子怎能長大變成地球。因為,原行星盤中含有大量氣體,微小塵埃顆粒和氣體摩擦,會減速,依照預期情況估算的話,塵埃顆粒應該在彼此聚集形成大一點的石塊之前就掉入恆星才對,沒機會形成行星。

但在 ALMA 已經發現的環中,有些塵埃顆粒卻塞得更緊更密,這讓塵埃顆粒可以在所謂的「塵埃陷阱」中一起漂移,在那裏面,塵埃較不容易受氣體阻力影響,因此塵埃不太費力就能長成越來越大的結構。

ALMA 研究的原行星盤案例中,也有一些出現彎曲弧線或螺旋狀結構,還沒有人明確知道這些外貌上的特徵形成原因是什麼。但是,這20張新圖像對天文學家瞭解我們自己太陽系的起源,貢獻非常大。


發現了什麼?

這次ALMA 觀測的原行星盤都算是較大型,且離我們不遠──最多不超過幾百光年。這些盤都仍相當年輕;有的年齡不到一百萬年。盤中的塵埃顆粒發出毫米波,用ALMA 可以偵測。ALMA一共有66個天線,把天線間距拉到最遠時,天文學家能夠看到盤裡的很多細節,像是明亮的環和暗暗的空隙區。這些觀測結果來自一個大型觀測專案,叫做「高角解析力觀測盤的次結構」(英文縮寫名稱為DSHARP)。

誰發現的?

這項ALMA計畫觀測相當多的原行星盤,共有4位天文學家一起帶隊,主導的是美國哈佛史密松天文物理中心的Sean Andrews,以及美國萊斯大學的Andrea Isealla,智利大學的Laura Pérez,德國海德堡大學的Cornelis Dullemond。這四位研究員教授和團隊成員們,一共在《天文物理期刊通訊》這份刊物上發表了10篇以上的結果。

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