中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2024年9月5日

傳統上，行星形成被認為一個『由下而上』的過程，塵埃顆粒在數千萬年內逐漸聚集成更大的凝聚體：從微米、厘米再到公尺和公里。然而，另一種理論提出，行星可以通過『由上而下』的過程迅速形成，這種過程中，拱星盤（circumstellar disk）中的旋臂會因重力不穩定性而破碎。

在技術、儀器和觀測天體的完美結合下，加拿大維多利亞大學物理與天文學系博士生Jessica Speedie領導國際團隊，觀測了被廣泛研究的御夫座AB星周圍的原行星盤，並發現了與這種『由上而下』的行星形成理論相符的證據。其中阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（簡稱ALMA），發揮了至關重要的作用。Speedie說：「ALMA的靈敏度和對速度的高分辨率使我們能夠深入探測盤內氣體，並精確測量其運動。這是唯一適合此項任務的工具。」

天文學家已經在御夫座AB星盤發現了幾個正在形成的原行星，包括一個質量是木星九倍的原行星。這些原行星看起來像是旋臂中的塊狀物，繞著恆星逆時針旋轉。恆星御夫座AB星本身的質量約為太陽的2.4倍，年齡約400萬年。恆星的年齡暗示了一個難題：如果『由下而上』的過程尚未有足夠時間發生，那麼這些原行星是通過何種機制形成的？

Speedie和她的指導教授董若冰及其團隊使用ALMA，研究此系統巨大旋臂內的氣體運動。喬治亞大學計算天文物理助理教授、該研究的共同作者Cassandra Hall表示：「重力不穩定的盤在速度場中應有獨特的"擺動"，與穩定旋轉的盤不同。」 Hall提到她在2020年主導的一項研究：「當時我們使用最先進的模擬來預測這種重力不穩定特徵的存在，結果很明確、可檢驗，並且令人有些不安——如果我們找不到這個特徵，那我們對這些盤的理解就一定存在非常嚴重的錯誤。」

使用ALMA電波陣列，Speedie對御夫座AB星周圍巨大旋臂的13CO和C18O 氣體速度進行測繪，並發現了預測中"擺動"的明確證據。研究共同作者、劍橋大學博士後研究員Cristiano Longarini解釋：「當盤與恆星的質量比夠高時，盤中會形成旋臂。旋臂內的密度變化會導致重力變化，進而導致旋臂周圍和內部氣體速度的變化。我們將這些速度的變化視為擺動。」Longarini確認，這種速度擺動的幅度可以用來推斷主星與其周圍盤物質的質量比。

Speedie總結道：「我們在御夫座AB星盤中探測到的重力不穩定性是對行星形成『由上而下』路徑的直接觀測證據。」

與磁振造影（MRI）生成「切片」式的腦部影像類似，ALMA的干涉測量結果產生了一個三維的「資料立方體」，代表原行星盤內沿視線方向的氣體速度和位置。通過分析資料立方體中的切片，Speedie及其團隊能夠明確識別出顯示重力不穩定的速度擺動。

Speedie表示：「我們使用了迄今針對單個原行星盤進行的最深層、最高速度分辨率的ALMA觀測，資料清楚地表明重力不穩定的運作過程。沒有其他已知機制能造成觀測到的這種整體螺旋結構和速度模式。」

Speedie在提到Hall的預測時補充道：「這是一個經典的科學故事——『我們預測到了，結果真的找到了』——重力不穩定的典型特徵！」

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）、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 。

本篇論文發表於2024年9月4日出版的自然期刊（Nature），篇名：Gravitational instability in a planet-forming disk

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中央研究院天文及天文物理研究所 湯雅雯助研究員 

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