中研院再建功!以 ALMA 解開雙恆星的生成

作者 | 發布日期 2014 年 12 月 04 日 18:16 | 分類 天文
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中研院天文所副研究員高桑繁久所領導的研究團隊,藉天文望遠鏡阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array,簡稱 ALMA)觀測,發現環繞於一對年輕原恆星周圍的微塵與氣體分子雲裡的旋臂狀結構,並觀察到周圍氣體流向原恆星。在宇宙中,雙恆星比比皆是,此項研究成果首度揭曉雙星誕生的生成機制,於 11 月 20 日發表於《天文物理學期刊》(The Astrophysical Journal,ApJ)。



恆星形成於星際間由氣體與微塵組成的分子雲,先前關於恆星形成研究多聚焦於質量近似太陽的單恆星如何形成,並已建立標準模型:星際間緻密凝結氣體雲因重力塌縮而在中央形成了原恆星;事實上先前研究已經發現了塌縮中的氣體雲如何提供物質給中央的原恆星,但主要都是在單一恆星的條件下。

相對於單一恆星,我們對雙恆星的誕生形成機制所知很少,但天文學界已知的是,質量近似於太陽的這類恆星大多是結伴誕生,超過半數的類太陽恆星都是雙胞胎恆星,因此,追溯雙恆星如何誕生的詳細機制在天文研究上益形重要。理論上,環繞在胚胎期雙恆星外有個盤面,它會朝盤中央餵養雙恆星寶寶,提供它們在長大期間所需要的塵埃氣體物質。雖然新近研究中有些已經看得到環繞在雙恆星寶寶周圍的「環雙星盤」(circumbinary disks),但解析力和靈敏度不足,未能提供盤面氣體運動細部特徵的影像。

 

環雙星盤細節首度公諸於世

由高桑繁久博士所主導的天文所團隊先後使用 SMA 次毫米波陣列望遠鏡(SMA)與 ALMA 觀測距離地球 460 光年遠,位在金牛座的 L1551 NE 雙恆星。最新觀測結果顯示,ALMA 的觀測具有更好的解析力和靈敏度,是 SMA 的 1.6 倍和 6 倍,大幅超越此領域中先前所有研究的觀測結果。觀測是用波長 0.9 毫米的塵埃連續發射譜線來追蹤星際介質分布狀況;以及一氧化碳的分子發射譜線,經都卜勒效應計算後能得知氣體運動情形。L1551 NE 雙星系統裡的兩個新生恆星質量分別是太陽質量的 0.67 倍和 0.13 倍,兩個新恆星之間的距離是 145AU(AU 是天文單位,等於地球到太陽的距離:1.5 × 108 公里)。

結果研究團隊發現了雙星周圍各自伴隨著一塊氣體團,及環繞雙星的「環雙星盤」,其盤面大小約 300AU,是海王星公轉軌道的 10 倍大。在這樣特徵相當詳盡的觀測下,環雙星盤的細節首度公諸於世。如下圖所示,環雙星盤由兩部份構成,南側環呈 U 形,北方的發射譜線則呈反 U 形,隆起於西北和東北向。

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為求能更進一步了解這些新發現的特徵及其物理意義,研究團隊為 L1551NE 雙星系統形成機制構建了理論模型,見下圖右框。ALMA  觀測到的南北側 U 形和反 U 形特徵(圖二左框),經雙旋臂模型加以數值模擬後皆可複製、重現,兩個旋臂分別源自兩個新生雙恆星而向外伸出。

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新生影像清晰被紀實

將觀測中實際看到一氧化碳分子發射譜線與理論預測的氣體運動加以比較探討後,團隊首次確認旋臂上的氣體轉速較快,而位於旋臂內側的氣體轉速則較慢,並呈現了朝中央恆星方向塌縮的跡象,亦即代表物質餵食成長中新生雙恆星的過程正在進行。

研究結果表示,雙恆星會震動環繞在它周圍的環雙星盤,誘導物質朝向位在環中央的新生雙恆星塌縮,以餵養這對雙星寶寶長大,未來成長為雙恆星。高桑博士表示:「在 ALMA 高解析度觀測下,傳回了雙恆星誕生現場的第一手即時影像,實為前所未見。」

本次理論預測模型由日本法政大學松本倫明教授以超級電腦執行。松本教授表示:「ALMA 觀測顯示從盤面而來的氣體物質餵養新生雙恆星,這與理論預測符合程度驚人之高。」

論文作者除中央研究院天文及天文物理研究所高桑繁久,還有日本國立天文台野邊山宇宙電波觀測所斎藤正雄、日本國立天文台 ALMA 推進室西合一矢、日本法政大學松本倫明、日本千葉大學花輪知幸、香港大學林仁良、中央研究院天文及天文物理研究所賀曾樸等亦人。該研究同時也獲臺灣科技部、香港政府與日本學術振興會科學研究費補助金的經費支持。

首圖來源:ALMA

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