天文難題突破,揭開雙星軌道特徵密碼

作者 | 發布日期 2017 年 03 月 03 日 16:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

中研院天文及天文物理研究所金孝宣博士主導的國際團隊,以先進的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(簡稱 ALMA),取得老年恆星飛馬座 LL 星(LL Pegasi)影像,並使用創新方法推導出其為橢圓軌道的雙星系統,首度突破雙星系統因軌道週期太長而無法直接測量軌道形狀的天文難題。本論文獲發表於 3 月號 Nature Astronomy,成該期封面特寫故事。




金孝宣博士表示:「看到天空中這種美麗的螺旋殼層(spiral-shell)影像,真的很興奮。我們的觀測極精細地呈現出飛馬座 LL 星外圍螺旋殼層的三維幾何結構,而該圖像中各種細節特徵,在我們的理論裡都能得到令人非常滿意的解釋。」

國際天文團隊利用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA),揭示老年恆星飛馬座 LL 星及其伴星為具有橢圓形軌道的雙星系統。本圖顯示出飛馬座 LL 星周圍螺旋狀的氣體分布,資料來自於 ALMA 觀測。研究小組推導出,圖中白色方框內的分岔螺旋特徵,是由長橢圓軌道的雙星系統所造成。成果將於三月號的 Nature Astronomy 雜誌刊出,並獲選為當期封面故事。

新的 ALMA 影像所呈現的螺旋殼層狀圖案特徵,是飛馬座 LL 星不斷噴發的氣體物質所造成。飛馬座 LL 星距離地球約 3400 光年遠,體積比太陽大 200 倍,正處於恆星演化晚期稱之為紅巨星的階段,而未來我們的太陽也會有類似命運。像飛馬座 LL 星這樣年老的恆星會噴發大量的恆星風,將其表層氣體與塵埃吹向星際空間中,成為恆星周圍的拱星(circumstellar)物質。7 年前,哈伯太空望遠鏡曾為飛馬座 LL 星取得一張照片(如下圖),此後,飛馬座 LL 星因周圍出現前所未聞、幾近完美的螺旋圖案而大為知名。過去幾年當中的天文研究顯示,年老的恆星若有伴星,雙星系統以圓形軌道繞行並交互作用,周圍的拱星氣體便會顯現此螺旋特徵。

新聞稿

▲ 左圖為哈伯太空望遠鏡在 2010 年發布的飛馬座 LL 星影像。(Source: ESA/NASA & R. Sahai);右圖為 ALMA 觀測到的飛馬座 LL 星的影像。 (Source: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.)

「哈伯太空望遠鏡的影像讓我們欣賞到美麗的旋臂狀結構,但當時照片看到的其實是 3 維結構投影在 2 維上。現在因為有了 ALMA 的數據,我們得以看到 3 維立體結構的完整呈現。」共同作者之一, 在美國噴射推進實驗室(JPL)的 Raghvendra Sahai 博士表示。

本次研究團隊所取得的 ALMA 圖像,顯示出飛馬座 LL 星周邊螺旋殼層氣體的空間分布和運動速度,並進而揭示這個巨星的確與旁邊的伴星相互繞行,調節著噴發氣體的分布。

「我們可以從旋臂彼此的間隔得知,這個雙星系統的軌道周期大約是 800 年,然而,天文學家就算連續觀測這個雙星系統好幾世代──也不見得能偵測到雙星到底如何運動,把鎖在螺旋殼層圖案裡的機密解開,是回推出軌道運動的唯一途徑。」共同作者之一、中研院天文所副研究員呂聖元表示。

研究團隊在由 ALMA 最新取得的飛馬座 LL 星精細圖像中發現螺旋殼層的外觀清楚地呈現分岔。進一步將觀測得到的三維影像與數值模擬結果相比對,首度得出結論認為:此雙星系統具備特別長的橢圓軌道,而非先前認為的圓形軌道,是氣體分布這麼特殊的成因。

金孝宣說,「引人注目的螺旋殼層圖案彷彿是大自然留下的清楚訊息,揭開中心恆星如何運動的真相,是天文學家迎接的挑戰。」

ALMA 望遠鏡陣列由 66 個電波天文望遠鏡組成,為有史以來規模最大的地面型天文望遠鏡計畫,不但靈敏度極高,其解析能力和一座直徑達 16 公里的望遠鏡不相上下,可達哈伯太空望遠鏡的 10 倍。天文所自 2005 年開始參與 ALMA 計畫,以實質參與取代部分經費投資的模式,派出工程與科學團隊參與陣列的建造、測試及科學運轉。ALMA 望遠鏡也將採用本院天文所研發之接收機,提供天文學家觀測研究各項關鍵性的課題。

▲ 飛馬座 LL 星的 ALMA 觀測疊加影片。每張圖片顯示不同視線方向的速度(顯示在右上角)下,圍繞著飛馬座 LL 星的分子氣體物質分布。圖片大小約為太陽到地球距離的 2 萬倍。(Source:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.)

▲ 圍繞著飛馬座 LL 星的氣體物質 3D 觀測影像和模型比較。影片中先出現哈伯太空望遠鏡拍攝到的影像,接著是 ALMA 觀測到的分子氣體分布,與數值模擬結果比對,形態特徵十分吻合。(Source:Hyosun Kim et al. / I-Ta Hsieh (ASIAA))

▲ 從飛馬座拉近看到年老恆星飛馬座 LL 星。(Source:Hyosun Kim (ASIAA))

(首圖來源:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.)

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