ALMA首見旋轉式噴流 揭密原恆星成長機制

2017年6月13日 中研院天文所研究成果發表

原恆星(又稱「恆星寶寶」)噴發出來的噴流,是恆星形成時期一個最奇特的標桿。中研院天文所李景輝團隊使用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(簡稱ALMA),以最新觀測首度證實:「噴流在轉動!」此突破性成果不僅確認了噴流能將吸積盤最內緣過剩角動量帶走,解決天文學懸宕多年的難題,也讓吸積盤餵食原恆星的完整情境躍然呈現。

圖一:在HH 212原恆星系統裡的噴流和吸積盤。(左圖)顯示從橘色的吸積盤之最內圈盤面,噴出綠色的分子噴流。此圖是ALMA在8個天文單位解析力下得到的觀測影像。吸積盤中間有一道暗帶,讓整個盤看起來像個漢堡。左下角以太陽系的海王星公轉軌道為比例尺,供讀者參考了解HH 212的吸積盤大小如何。(右圖)噴流的紅移部份(紅色,譜線紅移代表物體朝我們遠離)和藍移部份(藍色,譜線藍移表示朝我們靠近)分佈在兩側,顯示噴流在轉動(如綠色箭頭所標示)。紅色和藍色箭頭用來標示吸積盤的轉動方向,與噴流一致。圖像版權:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所李景輝團隊

天文所李景輝研究員表示:

「在大多數恆星寶寶的案例中我們都能看得到噴流,就像沿著吸積盤自轉軸飛馳而出的一串子彈。噴流的功能一直是個謎。它是否如同目前的噴流發射模型所預測的,在轉動呢?過去因其口徑極窄,且轉動幅度極小,所以一直無法確認,現在因為ALMA同時兼備超高的空間速度解析力,不僅解析到距離原恆星只有10個天文單位(1天文單位為太陽到地球的平均距離)的噴流,同時還偵測到其旋轉運動。」這看起來,「恆星寶寶彷彿每咬一口太空漢堡(吸積盤)就會射出一顆旋轉子彈。」

天文所賀曾樸院士表示:

「吸積盤裡的角動量是恆星形成相關研究中最棘手的一個難題,(理論上)它會妨礙物質掉在中心恆星上。現在(實際觀測到)有噴流在最靠近盤的內圈那裏,把物質的多餘角動量帶走,物質就很容易可以從盤面掉到中心恆星表面上了。」

HH 212是位於獵戶座的一個鄰近原恆星系統,距離大約1300光年。中心的新生恆星誕生迄今僅只有4萬年(是太陽目前年齡的十萬分之一),質量只有太陽五分之一而已。而其中正在餵食原恆星的吸積盤,幾乎以它的側面面對地球,半徑約60個天文單位,盤中間有一道明顯的暗帶,夾在兩個明亮構造之間,這讓它外觀看起來就像個「太空漢堡」。此外,位在系統中心的原恆星還驅動了強而有力的雙極噴流。藉由對此噴流的觀測可進一步探討吸積盤是如何餵食原恆星。

早先在望遠鏡解析力大約是140個天文單位時,李景輝團隊還無法確認噴流會轉動。現在ALMA解析力提升到8個天文單位,比原來好17倍,果然偵測到噴流在旋轉。噴流的角動量非常的小,換算得知噴流噴發的位置應該就在吸積盤上距離中心恆星約0.05個天文單位的地方,和目前的噴流發射理論相當吻合。(水星至太陽距離約為0.4個天文單位,約為噴流噴發位置的八倍遠。 )

新發現顯示出在原恆星周圍吸積盤(太空漢堡)最內圈區域,噴流的確將物質的一部分角動量帶走了,減慢了那裡的轉動,因此,中心恆星才能從吸積盤獲得物質。

圖二:從餵食中心原恆星的吸積盤噴出的旋轉噴流三維示意圖。(左圖)噴流兩側紅色部分正在遠離我們,藍色部分正朝我們靠近,綠色箭頭顯示的是噴流旋轉方向。吸積盤裡藍色代表的溫度比橘色的部分低。(右圖)鏡頭拉近到吸積盤最裡面的區域,靠近原恆星的物質吸積及噴流發射過程示意圖。本研究認為噴流是在距離原恆星0.05個天文單位的地方噴發出去,如圖中綠色箭頭所示。噴流帶走多餘的角動量,以讓該處盤面物質掉進中間的原恆星,如圖中藍色箭頭所示。目前的噴流模型預測噴流是中空的,但需要更高解析度的觀測來檢驗。圖像版權:中研院天文所李景輝

這項研究開啟了未來利用ALMA高解析力來觀測圍繞原恆星的旋轉噴流之可能性,這對恆星形成領域的噴流形成論述,具有極重要參考價值。此外,這項觀測對其它類型天體的觀測具有啟發效應,譬如星系裡的活躍星系核噴流,在星系尺度上或許正扮演著和原恆星噴流類似的角色,具有帶走盤面角動量的功能。

其他參考資料:

研究論文篇名是 A Rotating Protostellar Jet Launched from the Innermost Disk of HH 212,發表於Nature Astronomy

研究團隊名單:李景輝(臺灣中研院天文所;臺灣臺灣大學),賀曾樸(臺灣中研院天文所;東亞天文臺)、李志雲(美國維吉尼亞大學)、平野尚美(臺灣中研院天文所)、張其洲(美國哈佛史密松天文物理中心)、尚賢(臺灣中研院天文所)。

另篇同時發表於同一期 Nature Astronomy 的論文介紹 ALMA取得影像所得見的大質量原恆星氣體慢速噴流(outflow)轉動,是日本國立天文臺的最新成果,相關新聞內容請參考ALMA Hears Birth Cry of a Massive Baby Star