這裡有行星正在形成!或許,還有它的月亮?

圖片出處:W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko [5]

人類雖然沒機會看到太陽、地球、月球是怎麼生成的,但能藉由觀測別的天體來理解整個過程。近幾年人類終於看到了形成中的行星,甚至還看到一些跡象,讓天文學家猜測可能是正在形成的衛星,或許人類見證著別人家的月亮正在形成!

撰文|許世穎

●恆星與行星的形成

太陽身為一顆恆星並不孤單,夜空中大多數的星星都是恆星,在太陽系以外的地方發光發亮。地球身為一顆行星也不孤單,不只太陽系內有至少另外七位兄弟姐妹,太陽系外的恆星也有「系外行星」圍繞。而身為衛星的月球自然就更不孤單了,不但有太陽系外的「系外衛星」,連人類都發射了好多人造衛星陪伴它繞行地球。

行星繞著恆星轉,衛星又繞著行星轉,到底這樣的系統是如何生成的呢?由於我們對恆星、行星、衛星的形成機制都還沒有非常確切的結論,這裡只介紹其中一些接受度較高的論點。

我們得先從層級最高的恆星形成機制開始說起。宇宙中瀰漫著許多的「巨大分子雲(Giant Molecular Cloud)」,在雲氣比較密集的地方會因為重力而吸引週遭的其他物質靠近。聚集的過程中溫度還會愈來愈高。漸漸地中心會出現一個高密度、高溫度的核心,這個核心稱為「原恆星(protostar)」。由於原恆星內部溫度還沒有高到可以點燃「核融合」反應,所以還不算是個真正的恆星。「原恆星」接下來會持續吸入週遭的物質、變得更密集、溫度變得更高。最後終於到達核融合可以開始的溫度,成為真正的恆星。

「原恆星」跟後來的「恆星」在演化過程中都分為幾個不同的階段。原恆星最後一個階段叫做「金牛T星( T Tauri star)」,而變成恆星後的第一個階段則稱為「赫比格Ae/Be星(Herbig Ae/Be star)」。有些金牛T星和赫比格Ae/Be星周圍會有盤面分佈的物質繞轉,稱為「原行星盤(protoplantary disk)」,就是孕育行星的地方。

原行星盤上大多數的物質還是會被核心吸進去,變成恆星的一部分。但有少部分的塵埃粒子會互相碰撞黏合成小碎片,小碎片會再繼續碰撞黏合形成大碎片。接著就像滾雪球一樣愈滾愈大,當碎片大到一定程度以後,就被稱為「原行星(protoplanet)」。經由更近一步的機制發展以後,原行星就有機會成為真正的行星,一邊繞轉軌道,一邊靠重力主動吸引軌道上的小碎屑(圖1)。[1]

圖1:恆星形成的模型。物質由一大團雲氣聚集,漸漸地形成核心密集與周邊的盤面結構。周邊的盤面就是未來孕育行星的地方。圖片來源:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF [2]

要怎麼從觀測到的原行星盤圖像中找到正在形成的行星呢?由於解析度的關係,我們不一定能從相片「直接看到」一顆行星在成形。不過凡走過必留下痕跡。由於行星要形成得「蒐集」軌道上的其他小碎屑,導致行星所在軌道上的碎屑會「消失」。就好像在一個佈滿灰塵的地板上用手指畫一個圓,然後再把手上沾到的灰塵捏成一個小球一樣。所以當我們從原行星盤的影像中看到一圈缺乏物質分佈的間隙,就代表在那個軌道上,可能有正在逐漸成形的原行星繞轉。

「長蛇座TW(TW Hydrae)」是離太陽系最近的金牛T星。更幸運的事情是,它的行星盤面幾乎正面對著我們,所以我們可以非常清楚地拍攝它盤面上的構造(圖2)。從照片中可以清楚看到環狀分佈的間隙,這些間隙就有可能是行星正準備要形成的地方。

圖2:長蛇座TW(TW Hydrae)的原行星盤。上面一圈一圈的間隙就可能是未來行星會形成的地方。圖片來源:S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) [3]

那到底有沒有實質的證據證明這些地方真的有行星在形成呢?雖然很難,但還是做到了!2018年的觀測中,終於在另外一個金牛T星「PDS 70」中拍攝到了正在形成中的原行星--「PDS 70 b」。

●PDS 70 b:首次「看」見正在成形的原行星

「PDS 70」又叫做「半人馬座V1032(V1032 Centauri)」,也是一個有原行星盤的金牛T星。雖然名字裡面有個「半人馬座」,但其實只是從地球上看過去剛好投射在同一區域而已,與半人馬座一點關係都沒有。2012年的觀測中,發現它的原行星盤也有環狀間隙,天文學家相信在那裡有行星形成並持續觀測。

經過數年的努力,在2018年從中央金牛T星周圍的間隙中,真的有看到一團物質聚在一起。經過進一步分析以後,那一團物質被認定是一個正在形成的原行星,被命名為「PDS 70 b」。這是人類第一次直接看到一顆正在形成中的行星,寫下人類對系外行星的觀測新的一頁。到了2019年用了其他的觀測方法,在這個原行星盤的間隙裡又找到了另外一顆正在形成的原行星,命名為「PDS 70 c」。根據研究估計,「PDS 70 b」及「PDS 70 c」的質量都大概是我們太陽系木星的數倍,前者的平均軌道半徑約二十個天文單位,和天王星的軌道半徑差不多。後者的平均軌道半徑則約三十個天文單位,和海王星的軌道半徑差不多(見圖3)[4]。

圖3:PDS 70 與它的兩個衛星想像圖。中央的原恆星周圍有原行星盤。原行星盤上的兩個原正在形成的原行星聚集了軌道上的物質。圖片出處:W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko [5]

●PDS 70 c:首次見證「別人的月亮」形成

圖4是對PDS 70原恆星系統的觀測結果。圖中可以看到原行星「PDS 70 c」周圍還纏繞一層物質,對於一般大眾來說或許沒有什麼特別,但對於天文學家來這可是至寶。想想看:「圍繞在恆星周圍」的會變成「行星」,那「圍繞在行星周圍」的,會變成什麼呢?

當然就是衛星啦!這一層在「PDS 70 c」週遭小小的盤面,正是形成它自己的衛星!如同「系外行星」指稱太陽系以外的行星一樣,我們用把太陽系以外的衛星稱做「系外衛星」,而英文則稱為「Exomoon」,直譯的話就是「系外月球」。換句話說,人類可能正在見證別人家月球的形成!

人類雖然沒機會看到太陽、地球、月球的生成,但可以藉由對其他天體的觀測暸解這些系統的形成機制,了解我們太陽系是如何生成。更進一步來說,甚至有可能了解地球上的生命是如何誕生。行星形成過程中會不會留下有機分子,成為未來行星生命的起源?還是行星形成後就能在自己的環境中產生生命?這些都需要後續更多觀測給我們答案。

圖4:PDS 70 與它的兩個衛星。不同顏色表示不同觀測帶來的結果,全部疊加在一起有助於讓我們看清這個系統的全貌。PDS 70 b是人類第一個看到正在形成的行星,而PDS 70 c周圍纏繞的物質則可能會是衛星形成的特徵。圖片來源: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/A. Isella/ESO. [6]
參考資料:

  1. [1] NASA /  How do planets form?
  2. [2] NRAO / Astronomers Get Rare Peek at Early Stage of Star Formation
  3. [3] NASA Exoplanet / First detection of methyl alcohol in a planet-forming disc
  4. [4] wiki / PDS 70
  5. [5] SciTechDaily / Existence of Two Giant Newborn Planets in PDS 70 System Confirmed by Astronomers
  6. [6] Earth Sky / Space Are moons forming around this distant gas giant planet?
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