天文物理研究新發現,新聞分享專區

Complex Organic Molecules Found on “Space Hamburger” -- Prebiotic Atmosphere Discovered on Accretion Disk of Baby Star

posted Jun 28, 2017, 6:57 PM by Lauren Huang   [ updated Jun 28, 2017, 8:12 PM by Mei-Yin Chou ]

ASIAA Science Highlight released on 29th, July, 2017

An international research team, led by Chin-Fei Lee of the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA, Taiwan), has used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to detect complex organic molecules for the first time in the atmosphere of an accretion disk around a very young protostar. These molecules play a crucial role in producing the rich organic chemistry needed for life. The discovery suggests that the building blocks of life are produced in such disks at the very beginning of star formation and that they are available to be incorporated into planets that form in the disk subsequently. It could help us understand how life came to be on Earth.

Figure 1: Jet, disk, and disk atmosphere in the HH 212 protostellar system. (a) A composite image for the HH 212 jet in different molecules, combining the images from the Very Large Telescope (McCaughrean et al. 2002) and ALMA (Lee et al. 2015). Orange image shows the dusty envelope+disk mapped with ALMA.  (b) A zoom-in to the central dusty disk. The asterisk marks the position of the protostar. A size scale of our solar system is shown in the lower right corner for comparison. (c) Atmosphere of the accretion disk detected with ALMA. In the disk atmosphere, green is for deuterated methanol, blue for methanethiol, and red for formamide. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Lee et al.

“It is so exciting to discover complex organic molecules on an accretion disk around a baby star,” says Chin-Fei Lee at ASIAA. “When such molecules were first found in the protoplanetary disk around a star in a later phase of star formation, we wondered if they could have formed earlier. Now, using ALMA’s unprecedented combination of spatial resolution and sensitivity, we not only detect them on a younger accretion disk, but also determine their location. These molecules are the building blocks of life, and they are already there in the disk atmosphere around the baby star in the earliest phase of star formation.”


Figure 2: A 3D cartoon showing an atmosphere of complex organic molecules on an accretion disk. The bluish structure is the accretion disk. The pink layers above and below the disk are the disk atmosphere, in which complex organic molecules including methanol, deuterated methanol, methanethiol, and formamide are detected. For the molecular models, white is hydrogen (H), blue is deuterium (D), black is carbon (C), red is oxygen (O), purple is nitrogen (N), and yellow is sulfur (S). Credit: Lee, C.-F.

Figure 3: Artistic conception of an atmosphere of complex organic molecules on an accretion disk around an embedded baby star with a powerful jet. Credit: ASIAA/ Jung-Shan Chang

Herbig-Haro (HH) 212 is a nearby protostellar system in Orion at a distance of about 1,300 light-years. The central protostar is very young, with an estimated age of only 40,000 years — about 1/100,000th the age of our Sun — and a mass of only 0.2 solar mass. It drives a powerful bipolar jet and thus must accrete material efficiently. Indeed, an accretion disk is seen feeding the protostar. The disk is nearly edge-on and has a radius of about 60 astronomical units (AU), or 60 times the average Earth-Sun distance. Interestingly, it shows a prominent equatorial dark lane sandwiched between two brighter features, looking like a “space hamburger.”

The research team’s ALMA observations have clearly detected an atmosphere of complex organic molecules above and below the disk. These include methanol (CH3OH), deuterated methanol (CH2DOH), methanethiol (CH3SH), and formamide (NH2CHO). These molecules have been proposed to be the precursors for producing biomolecules such as amino acids and sugars. “They are likely formed on icy grains in the disk and then released into the gas phase because of heating from stellar radiation or some other means, such as shocks,” says co-author Zhi-Yun Li of the University of Virginia.

The team’s observations open up an exciting possibility of detecting complex organic molecules in disks around other baby stars through high-resolution and high-sensitivity imaging with ALMA, which provides strong constraints on theories of prebiotic chemistry in star and planet formation. In addition, the observations open up the possibility of detecting more complex organic molecules and biomolecules that could shed light on the origin of life.

Additional information:

Formation and Atmosphere of Complex Organic Molecules of the HH 212 Protostellar Disk,” Chin-Fee Lee et al., 2017 June, to appear in the Astrophysical Journal [http://apj.aas.org, preprint: https://arxiv.org/abs/1706.06041].

The team is composed of Chin-Fei Lee (ASIAA, Taiwan; National Taiwan University, Taiwan), Zhi-Yun Li (University of Virginia, USA), Paul T.P. Ho (ASIAA, Taiwan; East Asia Observatory), Naomi Hirano (ASIAA, Taiwan), Qizhou Zhang (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA) & Hsien Shang (ASIAA, Taiwan).

Media contacts:

Dr. Chin-Fei Lee, Institute of Astrophysics and Astronomy, Academia Sinica cflee@asiaa.sinica.edu.tw    (Tel) +886-2-2366-5445

Dr. Mei-Yin Chou, Institute of Astrophysics and Astronomy, Academia Sinica cmy@asiaa.sinica.edu.tw   (Tel) +886-2-2366-5415

在太空漢堡上找到複合有機分子

posted Jun 28, 2017, 6:04 PM by Lauren Huang   [ updated Jun 29, 2017, 2:46 AM ]

2017年6月29日 中研院天文所研究成果發表

中央研究院天文及天文物理研究所李景輝國際團隊藉阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (ALMA) 觀測,首度在原恆星(恆星寶寶)吸積盤(像太空漢堡)的大氣偵測到複合有機分子,這些分子將會形成生命所需的生物分子。由此發現可得知,於恆星形成之初即已形成了生命基本素材,後期可能被帶往在盤面上形成的行星,相關研究啟迪人類對地球生命從何而來的深入認識。


李景輝研究員對本次成果表示,在恆星寶寶的吸積盤上找到複合有機分子,真令人振奮。
「當早先在恆星形成晚期的原始行星盤上發現複合有機分子時,我們就想知道這種分子是否在更早期即已形成;現在藉由
ALMA前所未有的空間解析力和靈敏度,我們真的在非常年輕的吸積盤上偵測到複合有機分子。也就是說,這些分子早在恆星形成的最初期,即已存在於恆星寶寶周圍的盤面大氣裡,提供生命的基本素材。」


維吉尼亞大學的李志雲教授說,這次在吸積盤大氣層上看到的複合有機分子,可能先以冰粒形成於盤上,由於受恆星輻射或其他因素加熱而成為氣態。

上圖:HH 212原恆星系統之中的噴流、盤、盤面大氣。
圖左
的「分子噴流係由不同分子偵測到之噴流,經合成而得影像,影像來自甚大望遠鏡VLT (McCaughrean et al. 2002)和ALMA (Lee et al. 2015)。筆直的分子噴流中間星號位置附近的橘色部分顯示的是ALMA所取得的塵埃包層和盤的影像。
圖右的 (b) 區塊為拉近放大圖,可見以高解析力取得的塵埃盤中心影像。星號標示中心原恆星的位置。右下角是和太陽系大小的比較示意。圖右 (c) 區塊顯示透過ALMA偵測到的吸積盤大氣。大氣中的氘代甲醇以綠色顯示、甲硫醇為藍色、甲醯胺為紅色。圖像版權:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/ 李景輝團隊

在獵戶座的HH212是鄰近的原恆星系統,距離1300光年。中心原恆星非常年輕,年齡只有4萬年約太陽年齡的十萬分之一),質量也只有太陽五分之一。此原恆星的特徵是發射出強力噴流,物質吸積效率很高。 正在餵食原恆星的吸積盤,以側面角度面向地球,盤的半徑大約60天文單位(1天文單位為太陽到地球的平均距離),中央有一條「暗帶」夾在兩道亮區間,看起來就像太空漢堡」,極為有趣。

該團隊藉ALMA高解析力及靈敏度,發現盤上下覆蓋著含有複合有機分子的大氣層,這些分子包括有:甲醇、氘代甲醇、甲硫醇、甲醯胺。已有研究認為這些分子是產生胺基酸等生物分子的先行指標。這些分子可能先是以冰粒形式形成在盤上,後來由於恆星輻射或衝擊波加熱而成為氣態。

上圖:三維繪圖示意吸積盤上大氣所含的複合有機分子。藍色盤面為吸積盤,盤面上下層粉紅色為吸積盤大氣,內含甲醇、 氘代甲醇、甲硫醇和甲醯胺等複合有機分子。分子模型中白色代表氫原子,藍色為氘,黑色是碳,紅色是氧,紫色是氮,黃色是硫。圖像版權:李景輝

此觀測結果,開啟了在恆星寶寶周圍盤上複合有機分子的研究,並對恆星和行星形成中的複合有機分子形成理論提供重要線索。本研究也開啟未來偵測到更多複合有機分子和生物分子的可能性,對生命起源的研究頗有助益。

研究論文篇名為 Formation and Atmosphere of Complex Organic Molecules of the HH 212 Protostellar Disk”, by Lee et al 於6月27日獲發表於 Astrophysical Journal

研究團隊:李景輝(臺灣中研院天文所;臺灣臺灣大學)、李志雲(美國維吉尼亞大學)、賀曾樸(臺灣中研院天文所;東亞天文臺)、平野尚美(臺灣中研院天文所)、張其洲(美國哈佛史密松天文物理中心)、尚賢(臺灣中研院天文所)。

Baby Star Spits a “Spinning Jet” As It Munches Down on a “Space Hamburger”

posted Jun 12, 2017, 6:44 AM by Lauren Huang   [ updated Jun 12, 2017, 6:13 PM ]

Science Highlight of ASIAA, Taiwan, June 13th., 2017

Protostellar jets are seen coming out from protostars (baby stars), representing one of the most intriguing signposts of star formation. An international research team, led by Chin-Fei Lee in Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA, Taiwan) has made a new breakthrough observation with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), finding a protostellar jet to be spinning, convincingly for the first time. This new result confirms the expected role of the jet in removing the excess angular momentum from the innermost region of an accretion disk (space hamburger), providing a solution to the long-standing problem of how the inner accretion disk can actually feed a protostar.

Figure 1: Jet and disk in the HH 212 protostellar system: (a) Molecular jet (green image) ejected from the innermost part of the accretion disk (orange image), observed with ALMA at a resolution of 8 AU. A dark lane is seen in the disk equator, causing the disk to appear as a “hamburger”. A size scale of our solar system is shown in the lower right corner for size comparison. (b) Split of the redshifted (turning away from us) and blueshifted (turning toward us) emission of the jet in order to show the spinning motion of the jet, as indicated by the green arrows. Blue and red arrows show the rotation of the disk, which has a direction the same as the jet rotation. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Lee et al.

Excitements:

“We see jets coming out from most of baby stars, like a train of bullets speeding down along the rotational axis of the accretion disks. We always wonder what their role is. Are they spinning, as expected in current models of jet launching? However, since the jets are very narrow and their spinning motion is very small, we had not been able to confirm their spinning motion. Now using the ALMA with its unprecedented combination of spatial and velocity resolutions, we not only resolve a jet near a protostar down to 10 AU but also detect its spinning motion”, says Chin-Fei Lee at ASIAA. “It looks like a baby star spits a spinning bullet each time it takes a bite of a space hamburger.”

The central problem in forming a star is the angular momentum in the accretion disk which prevents material from falling into the central protostar. Now with the jet carrying away the excess angular momentum from the material in the innermost region of the disk, the material can readily fall into the central protostar from the disk”, says Paul Ho at ASIAA.

Properties of the Target Source and ALMA Observational Results:

HH 212 is a nearby protostellar system in Orion at a distance of about 1300 ly.  The central protostar is very young with an age of only 40,000 yrs (which is about 10 millionth of the age of Our Sun) and a mass of only 0.2 Msun. Recent ALMA observations at submillimeter wavelength have detected an accretion disk feeding the central protostar. The disk is nearly edge-on and has a radius of about 60 AU. Interestingly, it shows a prominent equatorial dark lane sandwiched between two brighter features, appearing as a “space hamburger”.

The central protostar drives a powerful bipolar jet. Previous observations at a spatial resolution of 140 AU could not confirm a rotation for the jet. Now with ALMA at a resolution of 8 AU, which is about 17 times higher, we zoom in to the innermost part of the jet down to within 10 AU of the central protostar and find a jet rotation. The angular momentum is so small that the jet has to be launched from the innermost region of the disk at about 0.05 AU from the central protostar, well consistent with current models of the jet launching.

Figure 2: A 3D cartoon showing a spinning jet coming out from an accretion disk that feeds the central protostar. (Left) The jet is spinning (as shown by the green arrows), with the blue part turning toward us and the red part turning away from us. In the disk, the blue color is cooler than the orange color. (Right) A zoom-in to the innermost region, showing the possible disk accretion and jet launching processes near the protostar. Our results imply that the jet is launched at about 0.05 AU, as shown by the green arrows. The jet carries away the excess angular momentum, allowing the disk material there to fall into the central protostar, as shown by the blue arrows. As in current jet models, the jet is hollow and higher resolution is needed to check it. Credit: Lee, C.-F.
This new finding indicates that the jet indeed carries away part of the angular momentum (rotational momentum) from the material in the innermost region of the accretion disk (space hamburger), which is rotating around the central protostar. This reduces the rotation of the material there, allowing the disk to feed the central protostar.

Future Prospects:

Our observations open up an exciting possibility of detecting and measuring jet rotation around the protostars through high-resolution imaging with ALMA, which provides strong constraints on theories of jet formation in star formation. In addition, our observations also open up the possibility of detecting jet rotation in other kind of objects, e.g., active nuclei of galaxies, which may play the same role of extracting disk angular momentum as the protostellar jets.

This research was presented in a paper “A Rotating Protostellar Jet Launched from theInnermost Disk of HH 212” by Lee et al. to appear in the journal Nature Astronomy.

The team is composed of Chin-Fei Lee (ASIAA, Taiwan; National Taiwan University, Taiwan), Paul T.P. Ho (ASIAA, Taiwan; East Asia Observatory), Zhi-Yun Li (University of Virginia, USA), Naomi Hirano (ASIAA, Taiwan), Qizhou Zhang (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), and Hsien Shang (ASIAA, Taiwan).

Additional information:

ALMA also clearly imaged the rotation of a gas outflow from a massive protostar. Please read the press release "ALMA Hears Birth Cry of a Massive Baby Star" from National Astronomical Observatory of Japan.


Media contacts:

Dr. Chin-Fei Lee, Institute of Astrophysics and Astronomy, Academia Sinica cflee@asiaa.sinica.edu.tw    (Tel) +886-2-2366-5445

ALMA首見旋轉式噴流 揭密原恆星成長機制

posted Jun 12, 2017, 6:42 AM by Lauren Huang   [ updated Jun 12, 2017, 7:04 PM ]

2017年6月13日 中研院天文所研究成果發表

原恆星(又稱「恆星寶寶」)噴發出來的噴流,是恆星形成時期一個最奇特的標桿。中研院天文所李景輝團隊使用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(簡稱ALMA),以最新觀測首度證實:噴流在轉動!」此突破性成果不僅確認了噴流能將吸積盤最內緣過剩角動量帶走,解決天文學懸宕多年的難題,也讓吸積盤餵食原恆星的完整情境躍然呈現。

圖一:在HH 212原恆星系統裡的噴流和吸積盤。(左圖)顯示從橘色的吸積盤之最內圈盤面,噴出綠色的分子噴流。此圖是ALMA8個天文單位解析力下得到的觀測影像。吸積盤中間有一道暗帶,讓整個盤看起來像個漢堡。左下角以太陽系的海王星公轉軌道為比例尺,供讀者參考了解HH 212的吸積盤大小如何。(右圖)噴流的紅移部份(紅色,譜線紅移代表物體朝我們遠離)和藍移部份(藍色,譜線藍移表示朝我們靠近)分佈在兩側,顯示噴流在轉動(如綠色箭頭所標示)。紅色和藍色箭頭用來標示吸積盤的轉動方向,與噴流一致。圖像版權:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所李景輝團隊

研究團隊人員說明這個結果為什麼既重大又令人興奮──

天文所副所長李景輝研究員表示:

在大多數恆星寶寶的案例中我們都能看得到噴流,就像沿著吸積盤自轉軸飛馳而出的一串子彈。噴流的功能一直是個謎。它是否如同目前的噴流發射模型所預測的,在轉動呢?過去因其口徑極窄,且轉動幅度極小,所以一直無法確認,現在因為ALMA同時兼備超高的空間速度解析力,不僅解析到距離原恆星只有10個天文單位1天文單位為太陽到地球的平均距離)的噴流,同時還偵測到其旋轉運動這看起來,恆星寶寶彷彿每咬一口太空漢堡(吸積盤)就會射出一顆旋轉子彈。


天文所賀曾樸院士表示:

「吸積盤裡的角動量是恆星形成相關研究中最棘手的一個難題,(理論上)它會妨礙物質掉在中心恆星上。現在(實際觀測到)有噴流在最靠近盤的內圈那裏,把物質的多餘角動量帶走,物質就很容易可以從盤面掉到中心恆星表面上了。


觀測目標的特性和
ALMA
觀測的結果──

HH 212是位於獵戶座的一個鄰近原恆星系統,距離大約1300光年。中心的新生恆星誕生迄今僅只有4萬年(是太陽目前年齡的十萬分之一),質量只有太陽五分之一而已。而其中正在餵食原恆星的吸積盤,幾乎以它的側面面對地球,半徑約60個天文單位,盤中間有一道明顯的暗帶,夾在兩個明亮構造之間,這讓它外觀看起來就像個「太空漢堡」。此外,位在系統中心的原恆星還驅動了強而有力的雙極噴流。藉由對此噴流的觀測可進一步探討吸積盤是如何餵食原恆星。

早先在望遠鏡解析力大約是140個天文單位時,李景輝團隊還無法確認噴流會轉動。現在ALMA解析力提升到8個天文單位,比原來17,果然偵測到噴流在旋轉。噴流的角動量非常的小,換算得知噴流噴發的位置應該就在吸積盤上距離中心恆星約0.05個天文單位的地方,和目前的噴流發射理論相當吻合。(水星至太陽距離約為0.4個天文單位,約為噴流噴發位置的八倍遠 

新發現顯示出在原恆星周圍吸積盤(太空漢堡)最內圈區域,噴流的確將物質的一部分角動量帶走了,減慢了那裡的轉動,因此,中心恆星才能從吸積盤獲得物質。

圖二:從餵食中心原恆星的吸積盤噴出的旋轉噴流三維示意圖。(左圖)噴流兩側紅色部分正在遠離我們,藍色部分正朝我們靠近,綠色箭頭顯示的是噴流旋轉方向。吸積盤裡藍色代表的溫度比橘色的部分低。(右圖)鏡頭拉近到吸積盤最裡面的區域,靠近原恆星的物質吸積及噴流發射過程示意圖。本研究認為噴流是在距離原恆星0.05個天文單位的地方噴發出去,如圖中綠色箭頭所示。噴流帶走多餘的角動量,以讓該處盤面物質掉進中間的原恆星,如圖中藍色箭頭所示。目前的噴流模型預測噴流是中空的,但需要更高解析度的觀測來檢驗。圖像版權:中研院天文所李景輝


未來研究展望

這項研究開啟了未來利用ALMA高解析力來觀測圍繞原恆星的旋轉噴流之可能性,這對恆星形成領域的噴流形成論述,具有極重要參考價值。此外,這項觀測對其它類型天體的觀測具有啟發效應,譬如星系裡的活躍星系核噴流,在星系尺度上或許正扮演著和原恆星噴流類似的角色,具有帶走盤面角動量的功能。

其他參考資料:

研究論文篇名是 A Rotating Protostellar Jet Launched from the Innermost Disk of HH 212,發表於Nature Astronomy

研究團隊名單:李景輝臺灣中研院天文所臺灣臺灣大學)賀曾樸臺灣中研院天文所;東亞天文臺)、李志雲(美國維吉尼亞大學)、平野尚美(臺灣中研院天文所)、張其洲(美國哈佛史密松天文物理中心)尚賢(臺灣中研院天文所)。

另篇同時發表於Nature Astronomy 的最新論文,介紹 ALMA取得影像所得見的大質量原恆星氣體慢速噴流(outflow)轉動,是日本國立天文臺的最新成果,相關新聞內容請參考ALMA Hears Birth Cry of a Massive Baby Star

新聞聯繫人:

李景輝研究員,中央研究院天文及天文物理研究所

cflee@asiaa.sinica.edu.tw   (02)2366-5445

在新生恆星形成盤裡的塵埃間隙發現旋臂: 暗示行星正在形成!

posted May 24, 2017, 6:45 PM by Lauren Huang   [ updated Jun 8, 2017, 1:12 AM ]

2017年5月22日 中研院天文所研究成果發表

阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(簡稱ALMA)取得新生恆星「御夫座AB」拱星盤的一張銳利影像,顯示在寬闊塵埃間隙中有氣體旋臂,暗示著行星正在形成。

行星誕生於塵埃顆粒和氣體組成的拱星盤。根據理論預測,當行星在盤面上運行時,會收集軌道上的塵粒,形成「塵埃間隙」(即「空洞區」),同時也會產生盤上的螺旋波。要更明確知道早期行星能夠誕生的時間和地點,找到初生行星隱藏於盤上的確鑿證據,必須藉由能看得到盤之組成物質且具有高解析力的ALMA。

ALMA取得新生恆星御夫座AB拱星盤影像,紅色環由塵埃組成,藍色旋臂結構由氣體組成。
版權: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/中研院天文所湯雅雯團隊

目前為止,僅有少數案例分別觀測到「塵埃間隙」或「旋臂」。由中研院天文所湯雅雯博士領導的研究團隊取得最新的ALMA影像,第一次清晰呈現「有氣體旋臂在寬闊的塵埃間隙中」──兩者都同時觀測到了。首度發現在塵埃間隙的氣體旋臂暗示了此系統至少有2個行星:一個距離母恆星大約80個天文單位(1天文單位為太陽到地球的平均距離)造成了塵埃環;另一個距離恆星大約30個天文單位,造成我們看到的旋臂狀特徵。

先前在近紅外波段觀測到的御夫座AB星影像中,旋臂位於本次新觀測到的氣體旋臂內側(更接近恆星)。這可能是由於盤上的氣體旋臂凸起並且有相當的厚度,造成恆星的光大部份在旋臂內側被散射出來,形成近紅外波段看到的旋臂。除了三維空間的資訊,這些氣體旋臂還提供了運動速度的第四維觀點,更有助於了解行星和盤之間的交互作用。旋臂上的氣體運動速度大致上和盤的轉動速度一致,而只有在距離中心恆星30 個天文單位──疑似是行星形成的地方──氣體運動速度比較快,意味著靠近行星的地方,這些氣體繞著行星運轉。

本論文篇名為 Planet Formation in AB Aurigae: Imaging of the Inner Gaseous Spirals Observed inside the Dust Cavity,研究發表於國際性的天文物理期刊(ApJ)。第一作者為中研院天文所湯雅雯博士。

藍色雙微行星入侵古柏帶,暗示早期海王星溫和外移

posted May 9, 2017, 10:52 PM by Lauren Huang

原文於2017年5月6日刊載於 網路天文館
撰文:陳英同(中央研究院天文所博士後研究員,相關研究
All planetesimals born near the Kuiper belt formed as binaries 2017年4月4日刊於 Nature Astronomy,是該論文共同作者之一)

太陽系以前到底經歷了什麼?

研究太陽系就像考古學一樣,要根據現有的資訊,來推論過去到底發生了什麼事。天文學家一直想知道:太陽系的八大行星是如何移動到現在的軌道?在這段時間內又發生了什麼事?這段失落的歷史,不僅與太陽系的生命形成環境有關,也能幫助我們進一步了解其他與太陽系類似的系統。

「外太陽系起源巡天」與「外太陽系天體起源顏色巡天」

「外太陽系天體起源顏色巡天」(Colours of Outer Solar Systems Origins Survey,簡稱ColOSSOS)是由英國女王大學(Queen's University)的Wesley Fraser領軍,團隊中還包含了來自加拿大、美國、法國及臺灣的天文學家,這是一項結合「外太陽系起源巡天」(Outer Solar Systems Origins Survey,簡稱OSSOS)計畫所發現天體的大型國際合作計畫。研究團隊四月初在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊,發表這項有關太陽系演化的重大研究成果。

天文學家相信,古柏帶(Kuiper belt)是在太陽系演化過程中所留來下的原始小行星帶,由結冰的原始行星盤物質所組成。研究團隊發現有好幾個古柏帶雙微行星表面呈現藍色──這與一般偏紅色的古柏帶天體非常不同。一般推論,藍色雙微行星應該是從離太陽較近的位置移到現今古柏帶處,這個遷移過程大概發生在距今數十億年前,且改變了所有類木行星的軌道。

這就有趣了──藍色雙微行星到底是在哪裡形成的?這樣的遷移過程暗示了怎麼樣的太陽系演化過程?

藍色雙微行星入侵現今古柏帶

團隊成員結合觀測與理論模型發現,如果這些藍色雙微行星一開始在38到44天文單位(天文單位:地球到太陽的平均距離,約1億5000萬公里)形成,並歷經一個「溫和」的海王星外移過程,就能夠存活並到達目前觀測到的位置(42至48天文單位)。這個結果剛好與之前許多動力學的研究吻合!

這項計劃的困難度非常的高--需要同時協調八米的雙子星望遠鏡(Gemini telescope)與四米的加法夏望遠鏡(Canada-French-Hawaii Telescope)進行觀測。就像兩人三腳的比賽一樣,兩台望遠鏡必須要在同時做出相同的操作,觀測同一個天體,如此才算一個成功的觀測,才能消除許多觀測上的誤差。

這項研究結果對我們了解太陽系的演化,只是個開端,仍然有許多未解的問題。天文學家相信,將來會發現越來越多的天體,再加上先進的觀測設備與技術,不久之後,我們一定能更清楚了解太陽系的演化過程。

原始論文請參考:https://www.nature.com/articles/s41550-017-0088  (本文作者陳英同為中研院天文所博士後研究員,論文共同作者之一)

資料來源:http://www.qub.ac.uk/Connect/News/Allnews/QueensexpertdiscoversNeptunesjourneyduringearlyplanetformationwassmoothandcalm.html

Image Credit: Gemini Observatory/AURA, artwork by Joy Pollard

一個正在孕育的太陽系:目擊胚胎恆星正在吸食「塵埃漢堡」

posted Apr 19, 2017, 6:19 PM by Lauren Huang   [ updated Jun 17, 2017, 10:04 AM by Mei-Yin Chou ]

2017年4月20日中研院天文所研究成果:

中研院天文所李景輝團隊利用強大的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(簡稱ALMA)取得一張超精細的天文影像,捕捉到一顆非常年輕的原恆星(胚胎時期的恆星)正在吸食「塵埃漢堡」—— 一個天文界苦尋多年的最早期塵埃吸積盤。這一項研究確認了在恆星形成初期會形成吸積盤,挑戰現有的吸積盤形成理論。同時也是首度顯示出吸積盤的垂直結構,並對行星形成初期的塵埃顆粒如何長大和沉澱過程提供線索。論文2017419日在Science Advances期刊發表。

圖一:HH212原恆星系統的噴流和盤:(a) 噴流由不同分子偵測到的合成影像,影像來自於甚大望遠鏡VLT (McCaughrean et al. 2002)和ALMA (Lee et al. 2015)。中間橘色部分顯示ALMA於次毫米波段以200個天文單位等級的解析力所取得的塵埃包層和盤的影像。(b) 拉近放大後,可見以8個天文單位的高解析力取得塵埃盤中心影像。星號標示中心原恆星的可能位置,盤中間有一道明顯的暗帶,造成盤子看起來像個漢堡形狀。右下角是和太陽系大小的比較示意,盤子的半徑約為太陽到海王星距離的兩倍。(c) 理論模型推導出的吸積盤溫度分布。圖片版權:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Lee et al.

令人興奮的發現

天文所研究員李景輝博士說:「能看到一個最年輕的吸積盤之細部結構,真是太棒了。因為,多年來天文學家一直在找恆星形成最早期階段的吸積盤,想確定它們的結構、如何形成、吸積過程怎麼發生。現在我們借用ALMA最優異的解析力,不只偵測到吸積盤,並且很清楚呈現其中許多結構細節,尤其是來自其垂直剖面的部分。」

圖二:理論模型推導出的吸積盤影像,和觀測一致:(a) 吸積盤模型的溫度分布。(b)模型推導出的塵埃輻射分布,和觀測到的影像約略一致。圖片版權:Lee et al.

維吉尼亞大學李志雲教授表示,「理論天文學一直沒辦法好好解釋,在恆星形成最早階段的盤是如何產生,因為磁場會減緩塌縮物質的旋轉速度,這使得早期新生原恆星周圍形成環繞的盤在理論上很難成立。這項新發現意味著磁場阻撓盤形成的效果,可能不如我們過去以為的那麼強大。」

 所觀測天體的性質和觀測成果

HH212是位在獵戶座的一個原恆星系統,距離地球1300光年。在這個系統的中心恆星年齡是4萬年,相當於太陽年齡的十萬分之一,質量則為太陽五分之一;具有強力的雙極噴流,顯示出它吸積的效率應該很高。在過去,當望遠鏡解析力最多能看到此系統中央約200個天文單位(1天文單位為太陽到地球的平均距離)時,只能看到有個扁平包層朝中心盤旋,預期在靠近原恆星的地方,可能有個小小塵埃盤。現在ALMA解析力提升到8個天文單位,比原來好25倍,不僅實際偵測到塵埃盤,而且在次毫米波段,成功解析這個盤的結構。

 觀測上看到的這個盤,幾乎是以它的側面面對著地球,半徑約60個天文單位,盤中間有一道明顯的暗帶,夾在兩個明亮構造之間,此特徵形成原因是由於這道暗帶的溫度比較低而且不透明。本次是首度在次毫米波段偵測到這個暗帶,造成盤子看起來像個漢堡形狀,和其他在可見光或近紅外光波段看過的一些散射光造成的盤的剪影很相似。這道暗帶的結構清楚地顯示出,塵埃盤呈喇叭狀,中心較薄外圍較厚,與吸積盤理論模型相符。

 圖三:插畫示意吸積盤正在餵食中心原恆星,從原恆星有噴流向外噴出。圖片版權:Yin-Chih Tsai/中研院天文所

未來展望

 這項觀測對未來更多運用ALMA高解析度成像力,去直接偵測並描繪環繞在新生原恆星周圍之小吸積盤,開啟相關研究的可能,並對恆星盤形成理論提出見解。在盤的垂直結構上所得到的觀測成果,還對行星形成最早期階段的塵埃顆粒如何長大和移動過程提供線索。

 相關補充資料

研究論文篇名:First Detection of Equatorial Dark Dust Lanein a Protostellar Disk at Submillimeter Wavelength” by Lee et al. 於2017年4月19日發表在 Science Advances

研究團隊成員:李景輝 (臺灣中研院天文所臺灣臺灣大學), 李志雲 (美國維吉尼亞大學), 賀曾樸 (臺灣中研院天文所;東亞天文臺), 平野尚美 (臺灣中研院天文所), 張其洲 (美國哈佛史密松天文物理中心), 尚賢 (臺灣中研院天文所)

新聞聯繫人:

李景輝研究員,中央研究院天文及天文物理研究所

cflee@asiaa.sinica.edu.tw   (Tel) +886-2-2366-5445

周美吟博士,中央研究院天文及天文物理研究所

cmy@asiaa.sinica.edu.tw   (Tel) +886-2-2366-5415


什麼是「全球毫米波特長基線陣列」和「事件視界望遠鏡」?

posted Apr 5, 2017, 12:47 AM by Lauren Huang   [ updated Apr 10, 2017, 7:57 PM by Mei-Yin Chou ]

Link to the ESO blog

在我們的銀河系中心藏匿著一頭宇宙怪獸,是名叫做「人馬座A星」的一個超大質量黑洞,擁有4百萬個太陽的質量,重力強大到連光也無法逃脫它的拉力。但若不是它的重力這麼大,連附近的恆星和氣體都要受它擺布,我們其實根本也無法知道它的存在!現在,有個相當了不起的新嘗試將啟動了,準備要去幫這個從未被看見過的黑洞「事件視界」拍下一張照片。(這裡先賣個關子不解釋事件視界,因為接下來幾週有一篇專門短文將會有詳細介紹!) 

提到事件視界望遠鏡 (EHT) 和全球毫米波特長基線陣列 (GMVA),這是電波望遠鏡之間形成的兩個國際合作計畫連盟,本來,個別都有一群夥伴相連結,各自構成了「和地球一樣大」的「虛擬」望遠鏡,兩者差別僅在於觀測頻段的波長稍微不同,前者是1.3毫米,後者是3毫米。現在,望遠鏡連線更壯觀了,遠自南極延伸抵達歐洲、太平洋上的夏威夷,共同努力的觀測目標就是銀河系中心的超大質量黑洞。

為了達成這個目標,天文學家運用了一種特長基線干涉法的技術,讓千里外的望遠鏡也能互連結成一體,好像一個單一的望遠鏡一樣。這種合作技術能取得較高的解析力,是遠超過任何單一望遠鏡可做到的,這個解析力的數字比哈伯太空望遠鏡還更強兩千倍。這麼強的解析力在偵測黑洞時的確不可少,因為,這個黑洞雖然體積約有太陽的20倍,但是距離地球卻有26,000光年遠啊。

參加全球大連線的電波望遠鏡名稱標示在這張全球地圖上。Credit: ESO/O. Furtak (大圖的連結)

你曾經聽過「幫黑洞拍張照」嗎?這個計畫的籌畫已有相當時日,但直到近幾年,相關技術的進度才終於趕上了這個相當有野心的計畫。當然,電波望遠鏡中的重量級選手加入這個計畫也很有助於理想實現,這位選手就是:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡,ALMA。

ALMA建造的位址是在智利的阿塔卡瑪沙漠,是個海拔高達5千米的高原沙漠,以ALMA數量多達66座的高精度天線和先進接收機來說,有它加入EHT/GMVA合作計畫之後,立刻把整體靈敏度提高了10倍。ALMA無疑是一座天文學界最先進的設施,但是在加入合作以前,它還是按部就班地升級過好幾次。到目前為止,在ALMA上已完成安裝的專門設備包括:新的硬碟(儲存未來觀測將產生的海量資料)以及高度精確的原子鐘,這座原子鐘是ALMA和整個電波望遠鏡大網路相連的關鍵(這個大網路有個專門名稱叫做VLBI,中文稱為「特長基線干涉陣列」)。

ALMA陣列望遠鏡就是位在照片中這樣的靜僻荒野之境。透過這張全景圖,可以認識ALMA所在位置的地理特徵,是智利安地斯山脈的查南脫高原,海拔高度有5千公尺。Credit: ESO/B. Tafreshi (twanight.org) - http://eso.org/public/images/potw1252a/

這個破天荒的觀測,即將在2017年4月份展開,GMVA陣營在3毫米波段的觀測是第一棒,時間從4月1日開始,將進行到4月4日;第二棒是EHT陣營在1.3毫米波段的觀測,時間將從4月5日開始,進行到4月14日。觀測以後,接棒的是資料處理,龐大的資料量處理起來需要不少時間,預計2017年底可以得到結果。

儘管這個計畫沒有必勝的保證,但是科學上它富於極多令人嚮往的可能,令人興奮,這合作還有其他一些一流的目標,包括印證愛因斯坦的廣義相對論--愛因斯坦曾預測,在黑洞周圍會環繞著一個「幾近圓形的陰影」。其他的科學目的還包括,了解物質如何在黑洞周圍「吸積」(物理上有很重要意義的一個詞,意思類似累積、變多),以及從黑洞以極快速度噴出的氣體噴流,是怎麼形成的。

黑洞陰影的數值模擬圖:廣義相對論預測陰影應該是像中間圖形那樣,呈圓形,但是黑洞除了圓臉的可能以外,也可能是長臉(如左圖),或寬臉(如右圖)。未來EHT拍到的黑洞陰影影像可以幫我們印證一下。Credit: D. Psaltis and A. Broderick. - http://www.eventhorizontelescope.org/science/general_relativity.html

以上就是本系列大餐的第一份料理包,接下來歡迎大家一起加入天文觀光之旅,除了獲取新知,也認識到,要做出頂尖的研究,經歷的過程是什麼、並看看追求頂尖成果,偶爾相隨著,可能是一些風險。

我們將繼續刊登系列數篇短文,探討一些常見問題:大家都對黑洞有好奇,黑洞是有意思在哪裡呢?電波望遠鏡如何看見宇宙呢?我們對銀河系中心的那個黑洞知道多少呢?下次見。

全球大陣列 , 希望拍到銀河系中心黑洞第一張影像

posted Apr 5, 2017, 12:47 AM by Lauren Huang   [ updated Apr 5, 2017, 12:51 AM ]

圖說:全球擺陣大合作希望能取得第一張黑洞陰影影像! 圖中綠色線條代表EHT網路,黃色則代表GMVA網路。Credit: ESO/O. Furtak

Link to the original ALMA announcement

在夏威夷的「次毫米波陣列望遠鏡」(英文簡稱SMA,臺灣中研院合作建造)、智利的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列(簡稱ALMA,臺灣中研院也參與建造)、美國的綠堤望遠鏡(GBT),還有法國、西班牙、德國、瑞典、芬蘭等世界各處電波望遠鏡,它們有的隸屬於「全球毫米波特長基線陣列」,有的是概念式虛擬望遠鏡「事件視界望遠鏡」的成員,在2017年4月上旬接下來這幾天,大家將一起做同一件事、加入一次「全球大串連」!這項行動有幾個重要目的,其中一個是:準備仔仔細細觀測銀河系中心的--超大質量黑洞。

「全球毫米波特長基線陣列」(Global mm-VLBI Array,縮寫為GMVA) 和「事件視界望遠鏡」 (Event Horizon Telescope,簡稱EHT),各代表十幾個電波望遠鏡成員,就像兩個家族,串連起電波望遠鏡陣列的網路。它們透過一種特殊原理,能把距離幾千公里的多座電波望遠鏡串連成像一個像地球一樣大的望遠鏡,觀測星空。

這次合作中,「GMVA陣營」把重點放在捕捉緊鄰於銀河系中心位置區域的吸積和噴流性質,而「EHT陣營」則將史無前例地,第一次嘗試取得黑洞的黑洞陰影影像。

全球電波望遠鏡大會師的陣容浩大,橫跨了整個地球表面,從南極、南美洲、歐洲,到太平洋上的夏威夷。其中,ALMA望遠鏡除了最大(有66個天線)、最靈敏(接收機技術最新)以外,它的第三項特色,讓ALMA也成為無論GMVA或EHT兩者都很需要的一位重要策略夥伴,那就是ALMA位於南半球的極佳站臺條件。

臺灣在這個在這個全球大合作中有很多貢獻。首先,中央研究院天文及天文物理研究所是東亞天文臺成員之一,此天文臺現在負責運營James Clerk Maxwell望遠鏡(JCMT)望遠鏡,JCMT是一座15米望遠鏡,坐落地點為夏威夷毛納基峰,這個大家或許不太陌生的山峰,同時也是擁有8座天線的「SMA次毫米波陣列望遠鏡」所在之處,中研院天文所並且是SMA的共同合作興建者。此外,臺灣更是ALMA望遠鏡計劃的成員機構。這三座望遠鏡都是EHT網路的一部分。

前中研院天文所所長,現任東亞天文臺臺長賀曾樸院士表示:「來自東亞地區的同仁目前正在毛納基峰上參加這次全球連線的實驗,後續也將支援在這次全球大連線中資料取得的任務。不但如此,中研院天文所還正在北極圈的格陵蘭建造「格陵蘭望遠鏡」。預計約一年後,格陵蘭望遠鏡也可望參加下一次的EHT連線實驗。我們已知銀河系中心黑洞和M87星系中心黑洞這兩個,就是科學家有機會能解析超大質量黑洞陰影的最佳目標,這也是我們臺灣,日本,韓國及中國團隊大家共同努力的目標。」

GMVA 和EHT的觀測將分別於4月1~4日、4月5~14日展開。

目前,整個天文學界都非常熱切期待看到這次觀測的成果會是什麼,因為這個觀測隱含的科學可能性令每個人都很興奮。為了讓這次觀測背後的科學能充分為大眾所了解,ALMA國際合作團隊準備好了七道料理,接下來兩個月,準備每週推出一篇介紹短文,從各個角度說明和這個觀測相關的科學、意義、目標。這七個料理包帶領大家進入一場天文觀光旅程,除了能獲取新知,認識到做頂尖研究的過程、也看到追求頂尖成果伴隨著哪些風險,短文還將回答一些天文學的常見問題:電波望遠鏡如何看見宇宙?黑洞最有意思的部分是在哪裡?我們對銀河系中心的那個黑洞知道多少?等等。

首先,打開第一個料理包,先來認識到底什麼是「全球毫米波特長基線陣列」?「事件視界望遠鏡」?

巨星周圍不尋常的螺旋 – 中研院ALMA團隊突破天文難題 開創雙星系統研究新頁

posted Mar 2, 2017, 5:13 PM by Lauren Huang   [ updated Mar 3, 2017, 4:18 PM ]

中央研究院新聞稿,台北時間2017年3月3日發布

中研院天文及天文物理研究所金孝宣博士主導的國際團隊,以先進的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 (簡稱ALMA),取得老年恆星飛馬座LL星(LL Pegasi)影像,並使用創新方法推導出其為橢圓軌道的雙星系統,首度突破雙星系統因軌道週期太長而無法直接測量軌道形狀的天文難題。本論文獲發表於三月號Nature Astronomy,並躍登該期封面故事。

金孝宣博士表示:「看到天空中這種美麗的螺旋殼層(spiral-shell)影像,真的很興奮。我們的觀測極精細地呈現出飛馬座LL星外圍螺旋殼層的三維幾何結構,而該圖像中各種細節特徵,在我們的理論裡都能得到令人非常滿意的解釋。」

圍繞著飛馬座LL星的氣體物質3D觀測影像和模型比較。影片中先出現哈伯太空望遠鏡拍攝到的影像,接著是ALMA觀測到的分子氣體分布,與數值模擬結果比對,形態特徵十分吻合。 版權: Hyosun Kim et al. / I-Ta Hsieh (ASIAA) 
影片下載:https://goo.gl/DR4X2o

新的ALMA 影像所呈現的螺旋殼層狀圖案特徵,是飛馬座LL星不斷噴發的氣體物質所造成。飛馬座LL星距離地球約3400光年遠,體積比太陽大200倍,正處於恆星演化晚期稱之為紅巨星的階段,而未來我們的太陽也會有類似命運。像飛馬座LL星這樣年老的恆星會噴發大量的恆星風,將其表層氣體與塵埃吹向星際空間中,成為恆星周圍的拱星(circumstellar)物質。將近10年前,哈伯太空望遠鏡取得一張飛馬座LL星的照片,這個天體因為周圍出現前所未聞的、幾近完美的螺旋圖案而大為知名。過去幾年間,天文學家的研究顯示,年老的恆星若有伴星,雙星系統以圓形軌道繞行並交互作用,周圍的拱星氣體便會顯現此螺旋特徵。

() 哈伯太空望遠鏡在2010年發布的飛馬座LL星影像。影像來源: ESA/NASA & R. Sahai () ALMA觀測到的飛馬座LL星的影像。 影像來源: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.

「哈伯太空望遠鏡的影像讓我們欣賞到美麗的旋臂狀結構,但當時照片看到的其實是3維結構投影在 2維上。現在因為有了ALMA的數據,我們得以看到3維立體結構的完整呈現。」共同作者之一, 在美國噴射推進實驗室(JPL)的Raghvendra Sahai博士表示。

本次研究團隊所取得的ALMA圖像,顯示出飛馬座LL星周邊螺旋殼層氣體的空間分布和運動速度,並進而揭示這個巨星的確與旁邊的伴星相互繞行,調節著噴發氣體的分佈。

「我們可以從旋臂彼此的間隔得知,這個雙星系統的軌道周期大約是800年,天文學家就算幾個世代不停地連續觀測這個雙星系統也不見得能偵測到雙星到底如何運動。把鎖在螺旋殼層圖案裡的機密解開,是回推出軌道運動的唯一途徑。」共同作者之一,中研院天文所副研究員呂聖元表示。

研究團隊在由ALMA 最新取得的飛馬座LL星精細圖像中發現螺旋殼層的外觀清楚地呈現分岔。進一步將觀測得到的3維影像與數值模擬結果相比對,首度得出結論認為:此雙星系統具備特別長的橢圓軌道,而非先前認為的圓形軌道,是氣體分布這麼特殊的成因。

金孝宣說,「引人注目的螺旋殼層圖案彷彿是大自然留下的清楚訊息,揭開中心恆星如何運動的真相,是天文學家迎接的挑戰。」

ALMA,是由66個電波天文望遠鏡組成的陣列,為有史以來最大規模的地面型天文望遠鏡計畫,不但靈敏度極高,其解析能力和一座直徑達16公里的望遠鏡不相上下,可達哈伯太空望遠鏡的十倍。天文所自2005年開始參與ALMA計畫,以實質參與取代部分經費投資的模式,派出工程與科學團隊參與陣列的建造、測試及科學運轉。ALMA望遠鏡也將採用本院天文所研發之接收機,提供天文學家觀測研究各項關鍵性的課題。


飛馬座LL星的ALMA觀測疊加影片 (https://goo.gl/qKDTzk ) 每張圖片顯示不同視線方向的速度(顯示在右上角)下,圍繞著飛馬座LL星的分子氣體物質分布。圖片大小約為太陽到地球距離的2萬倍。版權:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.


國際天文團隊利用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 (ALMA) ,揭示老年恆星飛馬座 LL星及其伴星為具有橢圓形軌道的雙星系統。本圖顯示出飛馬座 LL星周圍螺旋狀的氣體分布,資料來自於ALMA觀測。研究小組推導出,圖中白色方框內的分岔螺旋特徵,是由長橢圓軌道的雙星系統所造成。成果將於三月號的Nature Astronomy雜誌刊出,並獲選為當期封面故事。圖片來源:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.

國際天文團隊利用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 (ALMA) ,揭示老年恆星飛馬座 LL星及其伴星為具有橢圓形軌道的雙星系統。本圖顯示出飛馬座 LL星周圍螺旋狀的氣體分布,資料來自於ALMA觀測。研究小組推導出,圖中的分岔螺旋特徵,是由長橢圓軌道的雙星系統所造成。成果將於三月號的Nature Astronomy雜誌刊出,並獲選為當期封面故事。圖片來源:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Hyosun Kim et al.


影片從飛馬座拉近看到年老恆星飛馬座LL星。版權: Hyosun Kim (ASIAA)
下載原始影片檔:https://goo.gl/Y3cmOI

1-10 of 65