ALMA深入探索行星形成之謎
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2023年6月28日
中央研究院天文及天文物理研究所（簡稱ASIAA）的大橋永芳研究員帶領的國際研究團隊，利用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（簡稱ALMA）觀測了19顆原恆星周圍的星盤，以極高解析度尋找行星形成的最早期跡象。這項稱為「嵌在盤中的早期行星形成」（Early Planet Formation in Embedded Disks，簡稱eDisk）的搜查計畫源於最近研究發現，行星形成可能早已在原行星盤中登場，雖然這些盤已被ALMA詳細研究，但迄今尚無系統性探索尋找年輕的原恆星系統中的行星形成跡象。
太陽系和太陽系外行星系統的起源是現代天文學中最重要的課題之一。我們的太陽在距今約46億年前形成，所有類似太陽的恆星都經歷相似的過程。在這個過程中，新生恆星周圍形成了一個星盤，在這些星盤中行星將會形成（註１）。這些「原行星盤」預計只能存在幾百萬年，這意味著行星系統只能在這段時間內形成。然而，目前仍不清楚在這些星盤中開始的行星形成速度有多快。最近的ALMA觀測揭示了許多原行星盤具有間隙和環狀結構，這是行星正在形成並清除星盤物質的有力證據。另一方面，許多原行星盤顯示這種跡象，表示在我們稱之為「原行星盤」的系統中，行星形成已在進行或幾乎完成。大橋永芳表示：「先前的結果激發我們去研究更年輕的原恆星周圍星盤，以解答在恆星形成的哪個階段行星會開始形成。」
在此動機下，研究團隊聚焦於年齡只有1萬到10萬年的原恆星周圍星盤，並使用ALMA觀測了星盤中的塵埃顆粒（即行星的構建單元）發射的電波輻射。先前的研究只觀測了少數有行星形成跡象的原恆星。此國際團隊利用ALMA的超高解析度（註２）觀測了距離地球約650光年內的19顆原恆星周圍的星盤，詳細檢測原恆星盤的結構，是第一個使用高解析度、系統性探究大量原恆星盤詳細結構的研究。
觀測結果確認了所有原恆星周圍都存在星盤，這意味著行星形成的最低條件已經存在於這些年輕的原恆星系統中。然而，觀測結果明確顯示，原恆星盤與更晚期的原行星盤有所不同。在這19顆原恆星中，只有少數最晚期的原恆星盤中觀測到了代表行星形成的環和間隙。而且，這些環的結構比原行星盤中看到的更不明顯。研究還發現，許多星盤中的塵埃沒有沉積在星盤中平面，而是懸浮在盤面上下，使得星盤在垂直方向上看起來更厚。相比之下，較晚期的星盤中，塵埃會落定於在中平面，使其看起來較薄。大橋永芳表示：「我們沒有預料到在原恆星盤與原行星盤間會看到如此明顯的差異。」美國國家電波天文台的計畫共同主持人John Tobin則補充：「我們的研究結果表明，原恆星周圍的星盤尚未完全準備好開始形成行星。我們認為，在恆星形成開始後的10萬至100萬年內，行星系統的形成才會快速進展。」
丹麥哥本哈根大學Niels Bohr研究所的計畫共同主持人Jes Jørgensen還提到了國際合作在規劃和實行這種大計畫的重要性。他說：「共有15個研究機構的37名研究人員參與這項計畫。此外，其中約有一半是研究生或剛獲得博士學位的年輕研究人員。這項研究為許多年輕研究人員提供參與大型國際計畫的機會，可以說在培養未來的研究和合作方面扮演重要角色。」
中研院天文所副研究員顏士韋表示：「申請ALMA觀測時間，競爭是非常激烈的。透過eDisk這個由臺灣共同主持的大型研究計畫，研究團隊可以有將近100小時觀測資料的優先使用權，讓我們對原行星盤的形成與演化有全新、更全面的認識。」
註１：在1960年代，日本京都大學的林忠四郎教授領導的研究團隊建立了一個行星形成模型，稱之為「林模型」。這個模型認為行星在新生恆星周圍的盤狀結構中形成，大約在原恆星形成後的1至1千萬年內。當時並沒有觀測證實新生恆星周圍實際存在著盤狀結構，直到後來才直接觀測到年輕恆星周圍的原行星盤。
註２：此eDisk ALMA計畫的觀測解析度高達0.04角秒，相當於看到100公里遠的一枚硬幣大小。
畫家筆下的原恆星盤想像圖。圖片來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
19顆原恆星盤的影像，包括4個使用ALMA觀測到的雙星系統。其中一個雙星系統的主星和次星周圍的星盤分別獨立顯示（即第二排最右邊和第三排最左邊）。星盤按照其演化時間的順序呈現，左上角的星盤最年輕，右下角的星盤最老。最老的兩個星盤顯示了微弱的環-間隙結構。每個星盤影像下方都有一個20個天文單位的比例尺（1天文單位是地球和太陽之間的平均距離，約1.5億公里）。圖片來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、大橋永芳團隊
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）、與臺灣的行政院國科會（NSTC）共同支持；東亞地區則為日本國家自然科學研究機構（NINS）、臺灣中央研究院（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 。
本研究經費部分來自臺灣的國科會和中研院，補助計畫編號如下：
NSTC 109-2112-M-001-051, 110-2112-M-001-031, 110-2124-M-001-007, and 111-2124-M-001-005.
NSTC 106-2119-M-007-021-MY3 and NSTC 109-2112-M-007-010-MY3.
NSTC 108-2112-M-001-012, NSTC 109-2112-M-001-022 and NSTC 110-2112-M-001-057.
NSTC 110-2628-M-001-003-MY3 and AS-CDA-111-M03.
更多資訊：
本系列論文有四篇發表於2023年6月27日出版的天文物理期刊（Astrophysical Journal），篇名如下：
Nagayoshi Ohashi et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). I. Overview of the Program and First Results”
Zhe-Yu Daniel Lin et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). II. Limited Dust Settling and Prominent Snow Surfaces in the Edge-on Class I Disk IRAS 04302+2247”
Merel L.R. van 't Hoff et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). III. A First High-resolution View of Submillimeter Continuum and Molecular Line Emission toward the Class 0 Protostar L1527 IRS”
Yoshihide Yamato et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). IV. The Ringed and Warped Structure of the Disk around the Class I Protostar L1489 IRS”
一篇於2023年6月27日發表於論文預印網站arXiv：
其他相關論文將陸續發表。
媒體聯絡：
中央研究院天文及天文物理研究所 研究員大橋永芳，Email: ohashi@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5439
中央研究院天文及天文物理研究所 副研究員顏士韋，Email: hwyen@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5476