行星盤的最初一萬年

112年07月08日

【本篇報導由地球科學系  李悅寧副教授研究團隊提供】 　　原行星盤與恆星相伴形成，過程中關係緊密，本研究利用了超級電腦進行高效能數值模擬，用以探討由原恆星核塌縮到原行星盤的過程，其中考慮了非理想磁流體與輻射轉移過程，結果顯示，原恆星盤內的物質輸送過程，比過去所理解要更複雜，尤其是最初的約莫一萬年時間，當原行星盤還深深包覆於原恆星核中時，層流與磁場的效應遠比紊流重要許多。    　　恆星形成是一系列的塌縮過程，緻密的分子雲碎成許多片段，形成一個個原恆星核（proto-stellar core），而原恆星核再進一步受自身重力束縛塌縮，形成恆星，每一個步驟的塌縮都是幾千幾萬倍的尺度變化，拿著放大鏡檢視時，又會看到更多的細節。 　　這其中之一的細節，就是原行星盤的形成，原行星盤是行星誕生的基地，相較於恆星本身，又小又暗似乎不足一哂，天文學幾百年的觀測歷史，也是到了最近三十年才看見了其他恆星的行星盤，還有其相伴而生的行星。然而人類立足於太陽系的行星之上，我們對於生命的形成、行星的形成仍是充滿好奇的疑惑。 　　今天不談行星如何形成，那需要經歷在行星盤中數億年的碰撞與成長。而是談談，這個行星盤的最初一萬年，到底是如何形成，又是如何被原恆星核決定它的樣貌。 　　因為對大尺度物理不造成影響，許多恆星形成的研究並不考慮小尺度行星盤形成的過程，而因為系統的複雜性，行星盤的研究則很少實際計算物質如何由原恆星核掉入恆星—星盤系統。我們使用超級電腦模擬由原恆星核塌縮到原行星盤的過程，並且考慮了非理想磁流體與輻射轉移的效應，以達到最接近真實的情況。 　　此研究中形成的原行星盤與觀測到的星體有相似的大小，研究團隊從模擬結果中分析原行星盤中的質量輸送，因而發現，大部分的物質從遠離原行星盤面的高緯度直接落入原恆星，而不是如過往大部分模型描述的掉入原行星盤外緣，再經原行星盤掉入原恆星，而原行星盤的赤道面中心，幾乎無紊流運動，許多的物質輸送是直接藉由規則的層流運動，有時甚至由內往外，如此的層流運輸，遠較於紊流擴散運輸更有效率（如圖1）。 　　行星的形成要經過很多步驟，有些歷史訊息會留在行星、衛星、小行星的礦物組成、元素組成、與同位素組成，實驗室證據可以提供許多的規範，而理論天文學的工作在於對論出符合現今現象的太陽系過去歷史。 　　本研究顯示，原行星盤在剛形成的最初一萬年內，由於原恆星核仍在進行塌縮，電漿與磁場的交互作用也仍然重要，原行星盤內的動態與晚期無原恆星核包覆的拱星殘屑盤（debris disk）極為不同。過往對原行星盤於太陽系形成過程中的角色認知，需要許多修正與更進一步的探討。   圖1（模擬數據）：原行星盤與其周遭角動量通量（彩色流線），灰階背景為單位質量之角動量，原行星盤來自原行星核的質量吸積多通過高緯度（約45度仰角）的低角動量區。     原文出處： Lee, Y. N., Charnoz, S., & Hennebelle, P. (2021). Protoplanetary disk formation from the collapse of a prestellar core. Astronomy and Astrophysics, 648, [A101]. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038105

以不變應萬變：默契十足的恆星團形成

111年05月10日

【本篇報導由地球科學系  李悅寧助理教授研究團隊提供】 　　恆星形成貫穿各尺度之天文現象，可以概括敘述為一系列由重力引發的塌縮碎裂過程，然其中卻牽涉到許多的非線性的物理交互作用，如高馬赫數的紊流、低電離的電漿、不規則的磁場、宇宙射線與熱輻射。恆星形成的環境百百種，但若以結果論，所有恆星團的質量組成都令人出乎意料地相似。宇宙作為實驗室，觀測學家抽絲剝繭，理論學家抓耳撓腮，計算學家兩眼發直緊盯螢幕，就為了解釋並驗證恆星形成的過程中，什麼是橫跨宇宙千古不變的通則。   　　恆星之間看似空無一物的空間，其實存在著稀薄的氣體、光子、塵埃、與磁場，稱之為星際介質。星際介質是個多變的恆星搖籃，直接可觀測的物理量之中，密度、溫度、不規則的紊流運動速度、與磁場強度，皆有橫跨數個數量級的巨大變化，而恆星就是在這樣複雜的環境中誕生。  　　恆星作為宇宙的基本單位，是重要的能量引擎與元素工廠，透過核融合過程將質量轉化為能量，進而發光、發熱、藉由恆星的反饋活動，以輻射、噴流、恆星風創造週遭熱鬧的星際環境。描述恆星特性最重要的參數，就是它的質量，直接決定了恆星的大小、光度、核融合功率、和生命長度。大質量恆星溫度高、活動強、生命短、反饋大、並且大量產生氫氦以外的重元素，改變星際介質的特性進而影響下一代恆星的形成；與太陽相似質量的恆星則提供恰到好處的能量，對生命的誕生不可或缺；小質量的恆星如恆河沙數，幽暗的微光，卻佔了最多數的質量總和。  　　恆星時常群聚誕生，稱之為恆星團，恆星初始質量函數（IMF, Initial Mass Function）描述星團形成時，恆星質量的數量統計，這是星團很重要的一個表徵，與星際介質初始條件密切相關，也對星團乃至大尺度星系的演化影響重大。舉例來說，總重一百倍太陽質量的氣體塌縮碎裂形成恆星團，可以是100顆與太陽相同質量的恆星，也可以是10顆十倍太陽質量的恆星，在大尺度的重力量測上看不出差異，但兩者對星團演化的影響將會截然不同，這個差異可以反映在總光度和光譜上，經由觀測來判斷。  圖一：形成中的恆星團，恆星誕生在氣體密度高的區域，質量有大有小。   　　令人費解的是，過去近60年的大部分觀測顯示太陽鄰近區域之IMF驚人地相似，雖然星際介質的特性多變，IMF的峰值都發生在約0.2太陽質量並在大質量範圍呈現指數遞減。然而，隨著觀測與模擬技術的進步，此一普遍性開始受到懷疑和挑戰，極端環境中，可能產生不同形狀之IMF，然而這些例子包括極不易觀測的遙遠星系、高密度的銀河系中心、和炙熱的早期宇宙。 圖二：數值模擬中的恆星初始質量函數，隨著恆星數量增加，IMF的形狀沒有明顯改變。   　　雖然IMF的普遍性目前仍缺乏強有力的理論證據支持，其在天文學眾多領域不可或缺的地位，使得此普遍性往往輕易地被接受為基本假設。為了對恆星初始質量函數提出完整且全面的解釋，我們觀測恆星形成環境中的各種密度分佈與動能特徵，以此作為數值模擬的初始條件來產生含有各種質量恆星的星團（如圖一）並量測數值實驗中得到的IMF（如圖二），並藉由重力與紊流交互作用的理論模型，依環境特性對IMF做出預測，並從多個面向切入探討，以釐清此迷惑，使往後研究在需要使用恆星初始質量函數的時候，有理可據。   原文出處：https://link.springer.com/article/10.1007/s11214-020-00699-2