物理專文 ALMA 的科學目標與近來研究成果 撰文呂聖元 ALMA 的科學目標從黑體輻射的角度來考慮, 與可見光所對應到的絕對溫度數千度相比, 毫米波與次毫米波則是對應到僅約數十度的輻射 這正是宇宙中絕大部份氣體與塵埃大約的溫度 同時如可見光等較短波長的電磁波, 因星際塵埃的吸收而無法穿透此類塵埃與雲氣,( 次 ) 毫米波觀測乃成為探測宇宙中分子雲氣的最佳利器 藉由這個波段, 天文學者得以廣泛研究從太陽系內鄰近我們的行星 銀河系內的各種天體 乃至於銀河系外的其他星系 甚至是宇宙形成之初的原始星系 考慮這方面的需要, 全球的天文學者提議興建 ALMA 這樣規格的大型陣列, 並在 1990 年代集思廣益, 根據當時最前端的研究成果為 ALMA 訂定了以下三項主要的核心科學目標 : 1. 用少於一天的觀測時間偵測到紅位移 z = 3 時 ( 類似於我們所處之本銀河系 ) 的一般星系所輻射出的一氧化碳 (CO) 或游離碳原子 (C + ) 譜線 2. 偵測距地球最近的分子雲中原恆星或年輕類日恆星周圍的原行星盤內, 氣體的分布與運動 藉此我們得以了解這些系統的物理與化學狀態 磁場的結構 甚至偵測到其中因行星形成而在原行星盤面中造成的潮汐裂縫 (gap) 3. 提供觀測各式天體角解析度達 0.1 角秒的 高精準 成像 這裡所謂的高精準度, 乃指視野中任一處亮度大於極亮值千分之一的範圍都能正確的成像 為了達成這些核心目標, 天文學者將這些需求轉化成為一系列對望遠鏡軟硬體系統的規格, 作為建造 ALMA 的根據 雖說如此,ALMA 先進強大的功能, 讓他能扮演一個具多功能 通用性 (general purpose) 的望遠鏡角色, 可以針對各類天體進行觀測 實際上, 在 ALMA 的計畫書中也清楚的列出了以下多面向的研究課題 : 透過偵測星際塵埃的熱輻射以研究宇宙早期高紅位移星系的演化序列 利用原子與分子光譜研究恆星形成中星系的化學成份與演化 揭示星系核與類星體中心附近氣體的動力結構 觀測被星際氣體包覆的原恆星 原行星盤 甚至其中的原行星 推導恆星演化後期拱星殼層內同位素與化學成份, 以了解恆星內部的核反應過程 提供太陽系內的彗星之彗核 小行星 古柏帶星體 (Kuiper Belt Objects) 以及行星與衛星的精確影像 觀測太陽表面的活躍區域以了解粒子如何加速的機制 不論是核心或是廣泛的研究課題, 我們可以總括的說, 透過 ALMA 在毫米波與次毫米波段的觀測, 將使得我們能更了解宇宙中的星系 恆星 以及太陽系等等天體的起源與演化 而這正是 ALMA 天文台的圖形標誌中所註記 追尋起源(In Search of our Cosmic Origins) 的精神! 2014.12 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 411
本文中, 筆者針對一些 ALMA 近期精彩的研究成果加以介紹 作用, 改變星系週邊分子氣體的化學組成, 或甚至是吹散星系中的氣體進而抑制星系內恆星的形成? 中研院天文所副研究員坂本和 (Kazushi Sakamoto) 星系 星爆現象 與活躍星系核針對大尺度結構與星系形成進行了解, 是研究宇宙演化領域中一個重要關鍵的課題 目前天文學家普遍相信, 星系及星系團等結構的形成, 根源於紅移 (red-shift)z 相當 1000 左右時, 潛藏於宇宙背景輻射中的微小擾動與極小尺度的不等向性 觀測越早期在形成中的星系, 對星系形成的過程也就能了解越多 在本專輯內中研院天文所副研究員王為豪博士的文章中闡述了我們如何能夠利用 ALMA 觀測得到星系中塵埃的熱輻射影像, 又或是星系中分子雲氣的輻射譜線, 進而了解星系究竟是如何隨著宇宙的年齡而誕生並演化 雖然 ALMA 所提供的角度解析能力可達到哈柏望遠鏡的十倍, 但此解析度畢竟還是有限的 針對早期宇宙星系的研究也受限于此對應到之有限的空間解析力 畢竟, 這些天體離我們的距離太遠了, 很難看得仔細 相較之下, 針對比較鄰近我們的星系, 我們得以透過觀測分子譜線剖析星系內細微尺度的氣體分佈與動力結構 我們目前了解宇宙演化的過程中, 星系間常有包括碰撞 (collision) 與併吞 (merge) 等交互作用 伴隨著這類的作用, 星系中可能 博士最新的研究便利用 ALMA 繪製出星系存在僅見的高速雙極分子噴流 (bipolar molecular outflow) 的影像 坂本和博士所帶領的團隊, 觀測了位於我們本星系群 (Local Group) 附近, 最明亮的星系 NGC 3256 這個天體實際包含了一組分別位於南北兩側 正在交互作用的星系核 :NGC 3256N 以及 NGC 3256S 利用 ALMA, 坂本和博士發現 NGC 3256N 星系核中之星爆現象所產生的大量恆星風 (Steller Wind) 似乎足以推動週邊的分子雲氣, 使得這些氣體從星系盤面的上下側, 以大的張角向四方飛散溢出 而同時令人感到訝異的是在 NGC 3256S 週邊, 分子氣體則是至少以每秒約 1000 公里的高速, 以極小的張角向兩極噴發 以往的研究經常發現遊離態氣體由 AGN 以小角度向雙極噴發出來 位於 NGC 3256S 中的 AGN 很可能是推動這個雙極噴流的源頭, 但 ALMA 所測得以小角度雙極噴發的分子氣體可說是前所僅見 如果分子氣體持續以如此高速噴發, 星系盤面中的氣體可能很快就會耗費殆盡, 而恆星形成可能因此而被抑制 但 AGN 實際上是如何加速推動這些高速噴發的氣體, 這樣的噴流是偶發的, 又或是經常的? 這有待更進一步的研究 產生稱之為星爆 (starburst) 之劇烈的恆星形成現象 此外, 證據也顯示可能大部份的星系中心都有超重質量黑洞 (super massive black hole) 的存在 天文學者關注的問題包括 : 星系是如何 供養 黑洞成長所需的質量而形成超重質量黑洞? 超重質量黑洞與活躍星系核 (active galactic nuclei, 圖 1. 左圖底圖為哈柏太空望遠鏡所觀測 NGC 3256 星系的影像 等高線圖顯示由 以下簡稱 AGN) 的關聯是如 ALMA 所觀測到的一氧化碳分子譜線輻射強度 紅藍色表示透過分子譜線因都普勒位 移推導出之一氧化碳分子的相對運動速度 紅藍色分別代表氣體相對觀測者遠離與接 何? AGN 是如何調節他的活躍程度? 又是如何與周圍的氣體交互 近 右圖為 NGC 3256N NGC 3256S 以及分子噴流方向的示意圖 ( 圖片來源 : 中研院天文所副研究員坂本和博士 ) 412 雙月刊 36 卷 6 期
ALMA 的科學目標與近來研究成果 原恆星拱星盤 與原行星盤 與碎屑盤 物理專文 十多年來 在世界各地有關推展 ALMA 相關科學 恆星可以說是形成宇宙的基石 building block 研究的演講都不斷地闡述 ALMA 將對行星形成這個 恆星形成自然也是天文學的中心課題之一 我們目 研究領域能進行的貢獻 如同圖 2 中針對原行星盤 前了解恆星乃是孕育於星際間的分子雲內 毫米與 進行電腦數值模擬計算的理論圖片經常被用來展現 次毫米波段的觀測與研究能夠直接偵測分子雲氣及 ALMA 將可觀測到的影像 然而就在上 11 月初 星際塵埃 進而提供了解原恆星 protostellar 形成 憑藉著它的高解析度與高靈敏度 ALMA 成功的拍 的物理與化學參數與過程 在現今理論中 磁場對 攝到金牛座中原恆星 HL Tau 週邊拱星盤中的細 於形成恆星之分子雲氣的支撐與分裂有極重要的影 微結構圖像 ( 見圖 3) 更帶給天文學家們意外的震 響 在觀測上的證據卻仍然極為缺乏 清華大學天 撼 文所賴詩萍教授長期針對恆星形成雲氣中的磁場有 位於金牛座分子雲 Taurus Molecular Cloud 中 深入的研究 藉由掌握分子雲氣中塵埃或分子氣體 的 HL Tau 是一顆距離我們只有 450 光年的初生恆 輻射偏極化的完整 星 ALMA 所觀測到 資 訊 我 們 可 以 推 它的拱星盤中展顯了 導出分子雲中磁場 各式各樣前所未見的 的 分 佈 與 強 度 在 特徵 包括一系列的 本輯內由中研院天 亮環與黑色的斑塊 文所顏士韋博士所 奇特的徑向結構 羽 撰寫的專文則針對 狀特徵和弧形缺口 分子雲如何坍縮而 根據已知理論的推 形成緻密的分子雲 算 年輕恆星誕生於 核 molecular cloud core 這些緻密的 雲氣如何透過種種 重力塌縮的分子氣體 圖 2. 電 腦 模 擬 的 原 行 星 盤 影 像 圖 片 來 源 http://www.astro.virginia.edu/class/ oconnell/astr1210/guide11.html 和塵埃雲中 隨著時 間過去 剩下的塵埃 吸積 accretion 與噴流 outflow 等現象 進一步 會聚集在一起 變成砂粒 小石頭甚至更大的岩石 形成原恆星以及環繞其周圍的拱星盤 circumstellar 落在一層薄薄的 拱星 盤面上 這些冰凍的石塊 disk 相關的觀測有詳盡的說明 會在盤中聚集形成小行星 彗星甚至行星 但是一 在今日 透過不同偵測方法 天文學者已經發現 旦它們的質量夠大 這些年輕行星將會在盤面造成 確認數以百計的太陽系外行星 extrasolar planet 環 缺口和破洞 而這正是 ALMA 所看到的盤面構 對這種太陽系外行星系統形成過程時間尺度的研 造 究 將令我們對太陽系本身的形成有更深的認識 然而 根據理論推估 上述這樣的過程需要數百 我們一般相信環繞於原恆星周圍的拱星盤 除了在 萬年的時間 但是 HL Tau 的年齡卻僅僅百萬年之 原恆星演化時 扮演媒介氣體吸積至恆星的角色 譜 天文學界完全沒意料到在 HL Tau 如此年輕的恆 分佈於盤面的氣體與塵埃 也極有可能進一步聚集 星附近 塵埃粒子已經沉澱進而形成如行星般的大 形成如太陽系中的行星系統 身為孕育行星的搖籃 天體 這個 ALMA 的影像似乎暗示著行星形成的過 也被稱為原行星盤 protoplanetary disk 程不只發生了 而且發生時間比之前預期得更快更 早 如此驚人的結果 正挑戰著所有已知的理論 2014.12 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 413
圖 3. ALMA 觀測之環繞 HL Tau 的原行星盤中塵埃粒子所發出吱連續熱輻射影像 其中原行星盤顯 示了包括亮還 間隙 斑塊等等各種前所未見的細微結構 圖片來源 ALMA [ESO/NAOJ/NRAO] 在拱星盤演化的後期 其中的氣體與塵埃大部分 鏡針對它的觀測首次直接拍攝到太陽系外行星的影 都會消耗於行星形成 也可能因為氣體噴流的現象 像而更聲名大噪 由美國佛州大學 University of 而被吹散 但是觀測上發現一類拱星盤俱有塵埃的 Florida, Gainesville Boely 博 士 領 導 的 團 隊 在 2012 熱輻射 目前 一般認為這些塵埃是來自于行星形 年使用 ALMA 研究觀測這個著名的碎屑盤 由於哈 成過程中 行星體間相互在軌道中碰撞後產生的殘 伯太空望遠鏡觀測的碎屑盤影像是由盤面塵埃散射 骸碎粒 因此這類拱星盤被稱之為 碎屑盤 debris 星光所造成 雖然我們由此可以略知盤面的形態 disk 卻無法正確的推導塵埃的實際分佈 ALMA 另一方 中文稱之為北落師門的 Fomalhaut 週邊就存在著 面則是偵測塵埃本身發出的熱輻射 我們可以從所 碎 屑 盤 Fomalhaut 在 2008 年 由 於 哈 柏 太 空 望 遠 觀測到的輻射強弱直接推估塵埃的含量 在這個利 用 ALMA 開放科學觀測後的首篇研究成果論 文中 Boely 的團隊推論環繞 Fomalhaut 碎屑盤 中的塵埃分佈在一個邊緣看似鋒利的環狀區域 內 這樣的結果不僅僅證實先前已經被哈伯太 空望遠鏡觀測到 處於環狀內側的行星之存在 更預測另外應存在一個處於環狀外的行星 而 這兩個行星的大小應不超過地球的數倍 天文化學與天文生物學 瞭解太陽系的來源 並進而研究地球 甚至 圖 4. 由 HST 及 ALMA 所觀測到的 Fomalhaut 合成影像 影像左側 以 藍色標示 為 HST 拍攝到的碎屑盤中塵埃散射光影像 右側 以紅色 標示 為 ALMA 拍攝到碎屑盤中塵埃熱輻射影像 以往所追求的 人們透過各種方法來探索這個 這個問題的答案 尋找與生命相關的元素及其 圖片來源 ALMA [ESO/NAOJ/NRAO] 及 HST 414 是宇宙中生命的起源與分布 一直是人們長久 雙月刊 36 卷 6 期
ALMA 的科學目標與近來研究成果 物理專文 組成的有機分子 自然是尋找宇宙中生命蹤跡的管 雜的有機分子 好比甲酸 HCOOH 與甲酸甲酯 道之一 也算是天文化學 Astrochemistry 與天文 HCOOCH3 這些彗星中的分子是否為早期地 生物學 Astrobiology 研究的範疇 球帶來大量的有機物 並進一步成為孕育生命的泉 與生命有關的有機分子能夠在星際雲氣中合成 源 這有待仔細探究彗星中的分子成分 它們是否能夠繼續在之後早期太陽系的雲氣中存活 的確 在 2013 年由在美國航空太空總署 NASA 呢 在星際空間中所謂的分子雲 molecular cloud 的 Cordiner 博 士 並 且 有 台 灣 師 範 大 學 管 一 政 教 內 除了宇宙最主要 最豐富的成份 氫 以分子 授與研究生莊幼玲參與的國際研究團隊便首次以 形式存在以外 天文學家目前還偵測到至少 160 多 ALMA 對 當 時 接 近 地 球 的 彗 星 Lemmon C/2012 種 從以雙原子組成 到以十多原子組成的具長鏈 S1 以及 ISON C/2012 F6 觀測 ( 見圖 6) 此次 或複雜結構的不同分子 這還不包括了由同位素原 嘗試成功地偵測到彗星中包括 HCN HNC 以及 子所組成的分子 藉由 ALMA 所提供的廣頻寬與高 H2CO 等有機分子成分 根據分子氣體的分佈與運 頻譜解析度讓天文學家可以對數種或甚至數十種化 動速度 該團隊指出 HCN 分子應該是由彗核內塵埃 學分子同時進行其譜線觀測 從而分析這些星際分 表面的冰晶直接氣化並向外均勻噴發 但 HNC 及 子所位處的溫度 密度 以及分子的豐度與分佈等 H2CO 則應當是透過熱物理或光化學過程進而在氣態 等的物化參數 以便進一步推導各種分子形成的物 的彗髮中產生 特別是 HCN 很可能是由較為複雜的 理與化學機制 有幾分子裂解而生 雖然類似的結論在先前就曾經 在太陽系內外往返奔飛的彗星 普遍被認為可能 蘊含太陽系形成時之初始物質 過去毫米與次毫米 被提出過 但是此 ALMA 觀測的重大意義在於它能 成功觀測比以往所能偵測亮度弱十倍百倍的彗星 波段的觀測 已在彗星中偵測到 20 多種如可見光等 對太陽系內行星或其衛星系統之組成與變化的研 波段無法觀測的分子 而這些成份中 有許多是複 究 則是了解太陽系中分子化學演化的根本 好比 土星的衛星泰坦 Titan 來自太陽的光線與火星 的磁場作用 似乎提供了源源不絕的能量 使得泰 坦表面能夠維持一定的溫度 進而蘊含了與地球相 近的氮氣與大量的有機分子 並容許表層海洋的存 在 或許其環境與地球形成之初的狀態有相當大的 相似之處 甚至有可能培育生命的種子 泰坦的研 究對地球本身的演化自然極具價值 同 樣 由 Cordiner 博 士 領 導 的 團 隊 進 而 再 利 用 ALMA 觀測泰坦 在這個 ALMA 首次針對太陽系行 圖 5. 透 過 ALMA 觀 測 獵 戶 座 星 雲 中 的 分 子 雲 氣 所 偵 測 到 的 分 子 譜 線 紅 色 藍 色 線 條 為 實 驗 室 所 測 量 的 氰 基 乙 皖 圖 6. ALMA 所觀測到泰坦大氣中的分子譜線輻射 左圖顯示泰坦中層大 CH3CH2CN 標準分子譜線 利用兩者相互比對可以確定星際 氣中 HC3N 的分佈 中圖與右圖顯示泰坦高層大氣中 HC3N 與 HNC 的分 空間中所偵測到的氰基乙皖 佈 圖片來源 NRAO/AUI/NSF; M. Cordiner (NASA) et al. 圖片來源 NRAO/AUI/NSF, NASA 2014.12 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 415
星或衛星的大氣所發表的研究論文中, 此團隊偵測到了聚集於泰坦南北兩極大氣中的 HNC 與 HC 3 N 分子, 證實了先前卡西尼太空船 (Cassini) 的觀測結果 藉由因海拔而承受不同大氣壓力所導致不同的氣體分子譜線致寬, 研究人員得以由分子譜線中分辨來自不同高度的氣體分佈 ALMA 的觀測竟有令人意想不到且讓人困惑的結果 - 雖然在中層大氣的 HNC 及 HC 3 N 分子, 相對對稱地以極帽為中心分佈, 在高層大氣的 HCN 與 HC 3 N 卻是偏向極帽的一側 原先一般的理論認為泰坦大氣中的強風應該會很迅速地擾動混合大氣中任何不均勻分佈的氣體, 但是這個 ALMA 觀測的結果顯示先前的認知似乎需要修正 關於為何這些有機分子在泰坦高層大氣有著偏軸 (off-axis) 分布的確切原因仍不清楚 該團隊認為或許在很短的時間尺度間, 有不知名的化學作用造成氣體不均勻的產生與聚集 - 這或許是因為大氣與土星強大的磁場交互作用而引起, 又或許由於當前未知的大氣循環現象所造成 總結而言,ALMA 所提供的高靈敏度 高空間解析度, 廣頻寬 以及高頻譜解析力將使得新一代的天文學者能夠觀測天體諸多前所未見的 微弱的 細密的 甚至是隨著時間變化的影像 而這些新的影像, 肯定將如 HL Tau 的觀測一般, 為天文各個領域帶來創新的 革命性的發展 圖 7. ALMA 觀測彗星 Lemmon 時的內太陽系天體位置圖 ( 圖片來源 :B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); Gerald Rhemann; M. Cordiner, NASA, et al.) 作者 呂聖元中央研究院天文及天文物理研究所副研究員 E-mail: syliu@asiaa.sinica.edu.tw 參考資料與註解 [1] Sakamoto et al. 2014, ApJ, in press. [2] http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases/771-revolutionary-alma-image-reveals-planetary-genesis [3] https://www.asiaa.sinica.edu.tw/news/showrelease.php?i=415c0ad7b401524b5052b2f817a99219 [4] http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases/417-alma-reveals-workings-of-nearby-planetary-system- [5] Boley et al. 2012, ApJ, 750L, 21. [6] http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases/476-astrochemistry-enters-a-bold-new-era-with-alma- [7] http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases/740-alma-confirms-comets-forge-organic-molecules-intheir-dusty-atmospheres [8] Cordiner et al. 2014, ApJ, 792L, 2. [9] http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases/769-organic-molecules-in-titans-atmosphere-are-intriguingly-skewed [10] Cordiner et al. 2014, ApJ, 795L, 30. 416 雙月刊 36 卷 6 期