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意外不意外—從ALMA的新發現談太陽系的起源

105/05/31 瀏覽次數 5000
我們從何而來?我們的太陽系是如何形成的?追尋起源的動力不斷的激發著人們對周遭、對大自然、對宇宙的探索。透過現今世界最大、最先進的電波天文望遠鏡-阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(或簡稱ALMA),天文學家努力地研究類似太陽的年輕恆星是如何地誕生,環繞這些恆星周邊的行星又可能是如何地孕育。這個矗立於蒼涼的智利高原寒漠中、由全球多國合作建造的望遠鏡,近年來提供了超高解析度的觀測,揭露了許多前所未見的影像。這些影像正挑戰著許多我們先前對恆星與行星形成的理論認知。我將利用這個機會分享這些天文學家所得到的驚喜。

五月13日晚間的第七場春季展望演講,由中央研究院天文及天文物理研究所(ASIAA)呂聖元副研究員擔綱,呂博士以「意外不意外 — 從ALMA的新發現談太陽系的起源」為題,簡述了在荒漠高原上的明珠—阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)—的建造和運作過程,一般人難以想像這個過程的艱辛與複雜!ALMA擔負著前沿的科學目標,其中之一就是探討原行星盤的理論和細微面貌,在這個領域中,ALMA不僅帶領大家重返從恆星誕生,到星體演化的第一現場,也揭櫫了超高解析度的孕育行星環境,讓科學家能在宇宙起源的迷霧中開闢全新的蹊徑!

時間回到中研院發布ALMA新聞稿的2014年,這一次的新聞稿內容描述的是觀察到了前所未見的「行星搖籃」影像,而這究竟是個全然的意外,或說一點都不意外?這個問題貫穿本次演講的主軸。呂博士在2008年就曾受邀到展望系列進行演講,當時主題是恆星的「誕生」,簡報的最後一張是他的「恆星寶寶」。這次演講他很巧妙的再續前緣,開始時沿用了相片,而接著則是(八年過去)兒子長大和女兒的樣子,正好雙重地說明他這些年繼續恆星「演化」,與「其他」恆星誕生的研究,累積了值得一起恭賀的成就!

從ALMA的發想開始:如何規劃下一代更大規模,更先進、具有挑戰尖端研究課題的儀器?還是以科學優先,希望看到與以往不同的無線電波波段,或能看得更為清楚!呂博士講到這個擁有超高解析度的無線電波天文台,主要目標是在「追尋起源(In Search of our Cosmic Origins)」!並將其中之一的目標訂定在:偵測距離地球最近的分子雲中原恆星區域,或如太陽般恆星周圍的原行星盤內,其氣體的分布與運動。從中去了解這些系統的物理與化學狀態、磁場的結構,甚至是因為行星形成而造成的原行星盤的潮汐裂縫(gap)。

 ALMA為由北美、歐洲,和東亞一起合作建造的國際天文台計劃,其中也包含自2005年開始參與的台灣。我們知道ALMA矗立於蒼涼的智利高原寒漠中,呂博士打趣地提到,此醞釀耗資10億美元經費,這個世界最大、最先進的天文台,其實也是要看『風水』的,天文風水選址的條件是「風」要小,「水」要少,而理想的地方就是在高海拔的山上,最後選定的位置就在智利北部「阿塔卡瑪沙漠」裡,海拔高達5,000公尺的查南托高原(Chajnantor Plateau)!對台灣而言,它的經緯度還非常特別,因為它就在大約台東成功三仙台底下的地球另一端,呂博士還幽默地說,從那只要拼命的向下鑿,又快又方便的就能穿越地球到ALMA。這樣就不用搭飛機前往,不然從出發到抵達需要花費48小時!

 呂博士還提到了四大沙漠馬拉松之一:ATACAMA(阿塔卡瑪沙漠) CROSSING,透過上馬拉松網站的Google Map,可以看到實際的沙漠路線,而且還可以在附近放大再放大,居然能看見總共66座的ALMA天線陣列(50座12米天線、4座12米天線,及12座7米天線)!ALMA的後勤支援中心實際位居海拔2900公尺處,採用遠距離觀測,他也提到了在高海拔工作的有趣經驗,鋁箔包裝的零食都會脹得非常大。他們曾經在買東西上山的開車路途中,聽見碰、碰的大聲響,原本以為是爆胎,結果是氣壓太低,原本要帶去吃的零食,都一個個像鞭炮炸破了,這也顯得高海拔上工作環境是嚴苛的!

 ALMA在山下組裝好天線後,避免震壞儀器,每台天線需要用運輸車,以時速五公里的速度,花八小時送到山上,呂博士不只放了一段利用GPS紀錄運送的影片,還指出了望遠鏡解析度的公式:解析角實際跟波長成正比,與鏡面直徑成反比。透過轉換成不同排列的ALMA干涉陣列,就可以用天線間不同距離,來達成更高解析率(提升觀測細微圖像的能力)。如此的原理設計,讓它們之間最短可以是150 公尺,
拉長能達到15公里(目前),而最長期待能達到如覆蓋台北盆地大小的18公里!ALMA預期最佳的解析率為0.005角秒,能達到了哈柏望遠鏡的10倍,更具體來講是能夠從墾丁向北看見101大樓上的1元硬幣!高解析率的目標,就是希望能看到清晰的恆星形成圖像,還有行星形成的圖像。究竟形成行星的種子是甚麼?在甚麼時候發生,怎麼長大?成分是甚麼?何時會結束?這些問題反映著我們必須用超高解析率研究拱星盤的細部結構,以得到每個問題的解答。

2015年ALMA在長基線模式觀測下,得到了令世人震驚的研究成果:成功解析了一顆在金牛座分子雲中(距離地球450光年外),約不超過一百萬年的年輕恆星HL Tau的周遭盤狀物質分布。呂博士指出,比較之前較早用CARMA(Combined Array for Research in Milimeter-wave Astronomy)觀測HL Tau的結果,ALMA用0.035角秒的解析力看見前所未見的盤面細微結構,包含新生恆星影像的周圍,有一系列的黑色斑塊與亮環,以及間隙等奇特結構。其實早在2002年ALMA科學目標的說明中,許多科學家早已經利用理論,將恆星到行星的形成計算出類似的盤狀結構,只是如今觀測到的更為清晰!這是否代表研究成果並不是很意外?感覺好像就是這樣。但他說到故事還沒結束,精采的其實在更細節中,因為ALMA的影像當中,藏有現在的理論所無法解釋的部分!因為從恆星到行星的形成中,開始出現盤狀結構至少應該要100萬年的時間,而此次觀察到的行星相比之下,盤狀形成的時程似乎太快了!

原本的不意外,頓時變成讓人真正的意外!所以天文學家對此議題投入了大量的關注,在短時間內產生了上百篇的研究,而真正的機制是甚麼,目前尚未有定論,有待我們繼續探索。ALMA自2011年開始初期進行科學運轉,近年來在天文學多個領域取得了許多非凡的成就,開啟了許多未知的領域。呂博士在最後講到,台灣在ALMA的貢獻:「梅花」與「藍鵲」的前段系統維修車,也協助了這些意外的新發現!換個角度其實也「不意外」,因為這是科學研究的初衷,也會是ALMA未來持續努力的方向。這讓我們更為期待未來ALMA(研究出)的「意外」了!
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