揭露原恆星噴流的磁離心起源

中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表,日期:2022年3月22日

標題影像來源:ESO/M. McCaughrean

原恆星噴流是恆星形成時的特徵之一,看起來像是個圓柱形結構,從原恆星(嬰兒恆星)發出並以超音速傳播,頗耐人尋味。目前認為噴流是從原恆星周圍的吸積盤發射出去,在原恆星的進食過程中發揮著重要作用。然而,它們的起源仍然是個謎。


由中央研究院天文及天文物理研究所(簡稱ASIAA)的李景輝研究員領導的國際團隊,日前使用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米陣列(簡稱ALMA)觀測附近的旋轉原恆星噴流,在噴流根部發現了往外的徑向流(radial flow)。這種徑向流動驗證了目前主流的磁離心理論,可以解釋噴流如何形成和維持準直,並認為噴流是廣角(盤)風最緻密的中心部分,可以從很小的噴發區域(距離原恆星小於1天文單位)向外吹到遠處。這種能將盤面的物質由內而外傳送的廣角風,為在太陽系極外圍還能偵測到隕石球粒(chondrules)和富鈣鋁包體(Ca-Al-rich inclusions)提供解答。


李景輝進一步說明:「由於噴流呈圓柱形,很自然地認為它們是沿噴流軸線發出。因此,我們想知道它們是否真的如同當前磁離心模型(如 X風模型)所預測的那樣,是由於磁離心力,從廣角風根部徑向噴射的緻密核心。我們在HH 212噴流根部觀測到的徑向流明確地支持了這一個預測。」如圖1所示,隨著盤風從發射區域徑向往外流動,內部流線被環形磁場相關的環應力(hoop stress)逐漸對準,沿軸線形成緻密的圓柱形噴流,跟觀測看到的一致。


觀測來源的屬性和ALMA的觀測結果

HH 212是獵戶座附近的一個原恆星系統,距離地球約1300光年。中央的原恆星非常年輕,年齡只有約40,000歲(約為我們太陽年齡的十萬分之一),質量只有太陽的1/4。這個原恆星透過吸積盤積極地獲取物質,因為噴流從吸積盤的中心噴出(見圖 2a),帶走盤內側的角動量,使吸積盤的物質能落到原恆星上。之前的ALMA觀測,讓我們發現噴流正在旋轉,這次更在噴流根部發現了徑向流。我們認為磁離心模型(如X風模型,見圖 2c),不僅能解釋噴流的結構(圖2b)和旋轉,也能說明噴流根部徑向流的速度分布。

圖1:距發射區域較遠的X風模型 (磁離心模型之一)。圖中顯示風的內部流線被環形磁場相關的環應力逐漸對準,沿軸線形成緻密的圓柱形噴流(以紅色示意)。其中綠色螺旋表示磁場,往外噴出的箭頭表示風的徑向運動,中間的藍色箭頭顯示噴流的轉動方向,與HH 212的觀測結果一致。圖片來源:李景輝

圖2:HH 212系統中的一氧化矽(SiO)噴流和吸積盤。(a)一氧化矽噴流(橙色)和吸積盤(灰色)的ALMA觀測影像。(b)X風模型預測的一氧化矽噴流和吸積盤模型預測的盤面。(c)X風模型中的噴流結構。外圍灰色部分是一氧化硫的殼狀結構。圖片來源:李景輝團隊

參考資料:

阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,簡稱ALMA)是由歐洲、北美、東亞與智利共和國合作建造的國際天文設施。ALMA的經費來源包括三部分:歐洲地區由歐洲南天天文台(ESO)支應;北美地區由美國國家科學基金會(NSF)、加拿大國家研究委員會(NRC)、與臺灣的行政院科技部(MOST)共同支持;東亞地區則為日本國家自然科學研究機構(NINS)、台灣中央研究院(AS)和韓國天文研究院(KASI)共同籌措。 ALMA的建設和運營是由歐洲南天天文台代表歐洲,美國的國家電波天文台(NRAO)代表北美,以及日本的國立天文台(NAOJ)代表東亞。ALMA 天文臺聯合中心(JAO)統籌管理施工、試運轉和運作事宜 。

這篇由李景輝主筆的論文Magnetocentrifugal Origin for Protostellar Jets Validated through Detection of Radial Flow at the Jet Base,發表在2022年3月14日出刊的天文物理期刊快訊Astrophysical Journal Letters。

研究團隊名單:李景輝(中研院天文所;臺灣大學),李志雲(美國維吉尼亞大學天文系),尚賢和平野尚美(中研院天文所)。

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中央研究院天文及天文物理研究所 李景輝研究員

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