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