意外不意外—從ALMA的新發現談太陽系的起源
105/05/31
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呂聖元｜
中央研究院天文與天文物理學研究所籌備處助研究員
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！
