台湾中研院：ALMA 首见旋转式喷流 揭密原恒星成长机制

来源 台湾中央研究院天文及天文物理研究所

编辑 金庄维

观测目标的特性和 ALMA 观测的结果

HH 212 是位于猎户座的一个邻近原恒星系统，距离地球大约 1300 光年。该系统中心的新生恒星诞生至今仅只有 4 万年（是太阳目前年龄的十万分之一），质量只有太阳五分之一而已。而其中正在喂养原恒星的吸积盘（几乎以它的侧面面对地球）半径约 60 个天文单位，盘中间有一道明显的暗带，夹在两个明亮构造之间，这让它外观看起来就像个“太空汉堡”。此外，位于系统中心的原恒星还驱动了强而有力的双极喷流。借由对此喷流的观测可进一步探讨吸积盘如何喂养原恒星。

在 HH 212 原恒星系统里的喷流和吸积盘。（左图）显示从橘色的吸积盘之最内圈盘面喷出绿色的分子喷流。此图是 ALMA 在 8 个天文单位分辨率下得到的观测影像。吸积盘中间有一道暗带，让整个盘看起来像个汉堡。左下角以太阳系的海王星公转轨道为比例尺，供读者参考了解 HH 212 的吸积盘大小。（右图）喷流的红移部份（红色，谱线红移代表物体朝我们远离）和蓝移部份（蓝色，谱线蓝移表示朝我们靠近）分布在两侧，显示喷流在转动（如绿色箭头所标示）。红色和蓝色箭头用来标示吸积盘的转动方向，与喷流一致。图像版权：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)／中研院天文所李景辉团队

早先在望远镜分辨率大约是 140 个天文单位时，研究团队无法确认喷流会转动。现在 ALMA 的分辨率提升到 8 个天文单位，比原来好 17 倍，它侦测到喷流果然在旋转。喷流的角动量非常小，换算得知喷流喷发的位置应该就在吸积盘上距离中心恒星约 0.05 个天文单位的地方，和目前的喷流发射理论吻合得相当好。（对比数据：水星至太阳的距离约为 0.4 个天文单位，是喷流喷发位置的八倍远。）

新发现显示出在原恒星周围吸积盘（太空汉堡）的最内圈区域，喷流的确将物质的一部分角动量带走了，减慢了那里的转动。因此，中心恒星才能从吸积盘获得物质，得以成长。

从喂养中心原恒星的吸积盘喷出的旋转喷流三维示意图。（左图）喷流两侧红色部分正在远离我们，蓝色部分正朝我们靠近，绿色箭头显示的是喷流旋转方向。吸积盘里蓝色代表的温度比橘色的部分低。（右图，镜头拉近到吸积盘最里面的区域）靠近原恒星的物质吸积及喷流发射过程示意图。本研究认为喷流是在距离原恒星 0.05 个天文单位的地方喷发出去，如图中绿色箭头所示。喷流带走多余的角动量，以使该处盘面物质掉进中间的原恒星，如图中蓝色箭头所示。目前的喷流模型预测喷流是中空的，但这需要更高精度的观测来进行检验。图像版权：中研院天文所李景辉副所长

这个结果为什么既重大又令人兴奋？

李景辉副所长表示：“在大多数恒星宝宝的案例中我们都能看得到喷流，（它们）就像沿着吸积盘自转轴飞驰而出的一串子弹。喷流的功能一直是个谜。它是否如同目前的喷流发射模型所预测的，在转动呢？但因其口径极窄，且转动幅度极小，所以过去一直无法（对此进行）确认。现在因为 ALMA 同时兼备超高的空间和速度解析力（分辨率），不仅解析到距离原恒星只有10个天文单位（1天文单位为太阳到地球的平均距离）的喷流，同时还侦测到其旋转运动。”看起来，“恒星宝宝彷佛每咬一口太空汉堡（吸积盘）就需射出一颗旋转子弹。”

天文所贺曾朴院士表示：“吸积盘里的角动量是恒星形成最棘手的一个难题，它会妨碍物质掉在中心恒星上。现在有喷流在最靠近盘的内圈那里，把物质的多余角动量带走，那物质就很容易可以从盘面掉到中心恒星表面上了。”

未来研究展望

这项研究开启了未来利用 ALMA 高分辨率来观测围绕原恒星的旋转喷流的可能性，这对恒星形成领域的喷流形成论述具有极重要的参考价值。此外，这项研究对其它类型天体的观测亦具有启发效应，譬如星系里的活跃星系核喷流，在星系尺度上或许正扮演着和原恒星喷流类似的角色——具有带走盘面角动量的功能。

 论文信息

【标题】A Rotating Protostellar Jet Launched from the Innermost Disk of HH 212

【作者】李景辉（台湾中研院天文所；台湾台湾大学），贺曾朴（台湾中研院天文所；东亚天文台）、李志云（美国维吉尼亚大学）、平野尚美（台湾中研院天文所）、张其洲（美国哈佛史密松天文物理中心）、尚贤（台湾中研院天文所）

【期刊】Nature Astronomy

【日期】2017.6.12

【DOI】10.1038/s41550-017-0152

【摘要】The central problem in forming a star is the angular momentum in the circumstellar disk, which prevents material from falling into the central stellar core. An attractive solution to the angular momentum problem appears to be the ubiquitous (low-velocity and poorly collimated) molecular outflows and (high-velocity and highly collimated) protostellar jets accompanying the earliest phase of star formation that remove angular momentum at a range of disk radii. Previous observations have suggested that outflowing material carries away the excess angular momentum via magneto-centrifugally driven winds from the surfaces of circumstellar disks down to ∼10 au scales, allowing the material in the outer disk to be transported to the inner disk. Here we show that highly collimated protostellar jets remove the residual angular momenta at the ∼0.05  au scale, enabling the material in the innermost region of the disk to accrete towards the central protostar. This is supported by the rotation of the jet measured down to ∼10  au from the protostar in the HH 212 protostellar system. The measurement implies a jet launching radius of 〜0.05^{+0.05}_{⎯0.02} au on the disk, based on the magneto-centrifugal theory of jet production, which connects the properties of the jet measured at large distances with those at its base through energy and angular momentum conservation.

【链接】https://www.nature.com/articles/s41550-017-0152

阅读更多

内容合作请联系

[email protected]