在行星正开始形成的原行星盘上,当温度和压力低到足以使水冰形成时,这在盘上形成一过渡地带叫做“雪线”(snow line)。新生恒星猎户V883最近因为爆发,让天文学家首度观测到原行星盘上的这道“雪线”。
上图图说:本图以插画示意ALMA望远镜在观测新生恒星猎户V883时发现的雪线情景。
原行星盘因亮度骤增,以快如闪电速度加热了内侧行星盘,因此,(由水所形成)雪线向外推移,且较平常位置被外推得很远,天文学家刚好有机会在使用阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列望远镜(简称ALMA)时,观测这个雪线。大多数雪线在一般正常情况下,是过于靠近恒星而无法直接观测得到,甚至连ALMA超高的角解析力也莫之奈何。
一般而言,在距离类太阳新生恒星3个天文单位的半径范围以内,水分子会蒸发成气态而无法冻结成冰,超出这个──我们称之为雪线──的范围外,由于压力极低,水会在尘埃颗粒和其他粒子上直接由气态形成一层薄冰。(天文单位即日地平均距离,3天文单位大约是4.5亿公里。)
然而,猎户V883发生强大爆发,短时间内突然把雪线向外推出40天文单位(约60亿公里),相当于太阳系中冥王星的公转轨道。
虽然猎户V883质量只比太阳多30%,但近来由于物质落在这个恒星表面上而引起爆发,使得它目前亮度和温度达到太阳的400倍。
智利圣地牙哥Portales大学天文学家Lucas Cieza最近一篇以描述这些结果为题的论文,发表在Nature,他表示:“ALMA观测给我们带来了意外惊喜。本来我们打算透过ALMA取得原行星盘分裂(fragmentation)的图像,理论上,盘分裂是巨行星形成机制之一,结果我们并未看到预期的现象,那是因为盘的质量虽然非常大,但是温度偏暖,所以分裂并没有发生。
不过,我们却在距离恒星40天文单位的地方,发现了一圈看来似为环状之物。这说明ALMA性能强大,即使本意不是要找这个,ALMA仍然取得令人振奋的结果。”
从行星如何形成,乃至于地球上的生命如何育成,“新生恒星周围的水冰分布资料”为我们取得极关键的知识:由于在新生恒星的原行星盘上,新行星正在形成,所以,透过ALMA观测能告诉我们的是,水冰分布会出现在原行星盘的哪一阶段、会发生于盘面上的哪里。来自普林斯顿大学的论文共同作者之一朱照寰认为此观测结果的重要意义在于,天文学家证明了在太阳以外的其他恒星周围,有主导行星形成的“冰冻区”之存在,这次取得的是“直接证据”。
水冰,也扮演着调节尘埃颗粒集聚,形成越来越大颗粒的角色。天文学家相信,在雪线这个过渡区域以内,因为水会蒸发,条件较有利于形成较小岩质行星,如:地球和火星。反之,在雪线区域以外,到处是冰的条件则有利于雪球和彗星这类天体的快速形成,这促进譬如像木星这样巨型气体行星的形成。
在雪线以外的地方,由于水冰数量比尘埃还多,所以行星可聚合的固态物质更多了,结果,行星体积会更大,成长得更快。借此,木星和土星等巨行星能在原行星盘消失前形成。
本次新发现取得了“爆发能把雪线吹到比其典型半径大10倍”的新资讯,这对天文学家未来提出更可靠的行星形成模型之相关研究,意义非常显著。这样的爆发,一般认为应是大多数行星系统演化必经阶段之一,本次观测有可能是一普遍现象首度被看见。若果真如此,ALMA的直接观测将有助于更加了解在整个宇宙中,行星是如何形成和演化。也让我们多一点认识地球的历史:当地球还处于原行星盘阶段正在形成时,其水冰分布情形可能是如何,由此推估可知。
猎户V883位在猎户座星云团,距离地球1,350光年,ALMA望远镜在这样的距离条件下,解析力达到12天文单位。这足以解析猎户V883系统中的雪线,但观测其他典型新生恒星则仍不足。
ALMA在长基线模式下取得新生恒星”猎户V883”原行星盘盘面图像。此恒星目前正在爆发,此适足以让天文学家能首度观测到盘上的这道“雪线”-- 即盘中约一半处的一圈暗环。盘上距离恒星较远处,温度压力降低至使“水冰”形成之过渡区域,称为“雪线”(“snow line”)。
ALMA在长基线模式下取得新生恒星”猎户V883”原行星盘盘面图像。此恒星目前正在爆发,此适足以让天文学家能首度观测到盘上的这道“雪线”-- 即盘中约一半处的一圈暗环。盘上距离恒星较远处,温度压力降低至使水冰形成之过渡区域,称为“雪线”(“snow line”)。图中标示出雪线区域的大小,和冥王星公转轨道近似,海王星的公转轨道则略小一点。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza