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獵戶座 3 恆星系統發現已知最大原行星盤 首確認「星盤撕裂」可存在

2020/9/4 — 22:04

圖片來源:European Southern Observatory (ESO)

圖片來源:European Southern Observatory (ESO)

1,300 光年外的新形成恆星系統周圍盤旋的塵埃和氣體雲,是人類尚未見過的原行星盤 (protoplanetary disc) ,該個星系由 3 顆恆星形成,原行星盤則由 3 個不同方向的環組成,最內裡的與另兩個是完全錯位,是第一個直接證據證明這種稱為「星盤撕裂 (disc tearing) 」的星盤錯位可以存在。相關的發現已分別刊於 The Astrophysical Journal Letters《科學》

雖然位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (ALMA) 對該系統進行詳細的觀察,但科學家仍不清楚到底星盤撕裂如何發生。

系統擁已知最大原行星盤

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該恆星系統名為 GW Orionis,位於距地球 1,300 光年的獵戶座 (Orion) ,它由兩顆以大約一個天文單位的距離(即地球與太陽之間的平均距離)彼此鎖定的軌道圍繞運行的恆星組成,第三顆恆星則在以 8 個天文單位的距離,在錯位軌道上圍繞該兩星運行,而這 3 顆恆星的外圍,有巨大的塵埃和氣體組成的原行星雲,其組成的 3 個星盤分別距離系統中心的 46 、 185 與 340 個天文單位,最外圍的原行星盤亦是人類已知原行星系統中最大的一個。作為對比,冥王星到太陽的平均距離是 39.5 個天文單位。

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顧名思義,原行星盤是圍繞恆星的行星散發的物質。首先,恆星需要在分子雲 (stellar nursery) 中形成並發展。原行星雲中的物質在重力作用下崩塌,並開始旋轉,將巨大的氣體和塵埃盤繞進不斷發展的恆星中。

完成此形成過程後,圓盤中的剩餘材料開始結合,最終形成行星和其他小型天體。這就是為何在像太陽系的行星系統中,行星和岩石帶或多或少沿著同一平面圍繞太陽運行。

然而,有多顆恆星的系統,行星盤通常與圍繞恆星的軌道會出現錯位,而研究多顆恆星系統的原行星盤可以幫助人類了解這種錯位如何出現。

原行星盤發現過程

GW Orionis 原行星盤中的奇怪錯位最早在 2017 年由 ALMA 觀測中首次發現。領導刊於 The Astrophysical Journal Letters 研究的 ALMA 天文學家畢嘉清 (Jiaqing Bi 譯音) 在聲明中指,團隊非常驚訝觀察到最內一個環嚴重錯位,但其後通過星盤氣體的扭曲圖案證實到該發現。

另一組天文學家則使用 ALMA 與歐洲南方天文台在智利建造的特大望遠鏡 (VLT) 進行更近距離的觀察。領導的英國艾克斯特大學天文學家 Stefan Kraus 則指,團隊收集的圖像中,看到外盤上由內環造成的陰影。與此同時, ALMA 容許團隊測量到陰影的精確形狀,從而得出錯位星盤的立體方向。

圖左為 ALMA 對 GW Orionis 的觀察;圖右為 VLT 的觀察
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.

圖左為 ALMA 對 GW Orionis 的觀察;圖右為 VLT 的觀察
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.

幸運的是,雖然星盤撕裂在最近才發現,但自 2008 年以來人類就對 GW Orionis 進行監察,並在 2011 年發現了該系統的第 3 顆恆星,這些數據都有助研究人員重建該系統的軌道。

利用電腦立體模擬, Kraus 的團隊發現,恆星在不同平面上相互衝突的引力影響,能夠產生在 GW Orionis 看到的明顯星盤撕裂。

但畢嘉清的團隊發現,恆星軌道上的引力效應並不足以導致觀測到的環。畢嘉清團隊成員之一加拿大維多利亞大學天文學家 Nienke van der Marel 認為,在這些環之間必須存在一個行星,才能解釋星盤為何被撕裂。他又指該顆未發現的行星可能在當前的內星盤和外星盤間造成塵埃間隙 (dust gap) 使星盤撕裂。

如果確認到有該個行星出現,將是人類首次發現有行星會圍繞三顆恆星旋轉,但天文學家仍需更多觀察結果才能驗證說法。

來源:
Science Alert, Orion Hosts a Bizarrely Wonky Protoplanetary System With 3 Stars, 4 September 2020

報告:
Kraus, S. Kremlin, A., Young, A.K. & et al. (2020). A triple-star system with a misaligned and warped circumstellar disk shaped by disk tearing. Science 04 Sep 2020: Vol. 369, Issue 6508, pp. 1233-1238. DOI: 10.1126/science.aba4633
Bi, J.Q., van der Marel, N., Dong, R.B. & et al. (2020). GW Ori: Interactions between a Triple-star System and Its Circumtriple Disk in Action. The Astrophysical Journal Letters vol 895 no.1, published 21 May 2020. doi: 10.3847/2041-8213/ab8eb4

文/Alan Chiu

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