行星和恆星的形成是天文學的基本問題。本文將根據最近的出版論文介紹這一研究領域的新想法──溫室效應可以用來瞭解熱木星的組成和形成；此外，阻力不穩定性亦可能是分子雲中潛在的星核製造者。

圖一：熱潮汐和重力潮汐的示意圖 http://www.asiaa.sinica.edu.tw/gallery/show.php?i=196351b4bb0f72a0e558af4ffbf781f9.

　　熱木星是一顆木星級的系外行星，其公轉周期大約小於10天。25年前Michel Mayor和Didier Queloz發現的第一顆環繞類似太陽的系外行星即屬於熱木星，並因爲此開拓性的貢獻而獲得了2019年一半的諾貝爾物理學獎金。

　　自從2000年發現第一個凌星的熱木星以來，體積異常大的熱木星一直是天文學家想解開的謎題。因此，了解它們的異常半徑是系外行星科學的基本問題之一。天文學家發現行星大小與入射恆星輻射量之間存在正相關的關係，這暗示強烈的恆星輻射能量可能會轉化為行星的內部加熱，從而減慢，甚至阻止重力收縮而造成半徑較大的熱木星。如果是這樣，那麼實際上這種能量轉換是如何運作的呢？中央研究院天文與天體物理研究所的辜品高博士對這個科研問題非常感興趣。

　　強烈的恆星輻射可以在熱木星大氣中產生大氣潮汐波。其結果之一是這些「熱波」會引起大氣環流。由於大氣的高溫，大氣環流被部分電離，使其能與行星磁場相互作用，產生歐姆加熱，這會阻止行星因冷卻而重力收縮。「熱波」的另一個結果是產生熱潮汐凸起，大約十年前Arras和Socrates已證明了這一點。如果來自主恆星在該熱隆起上的引力扭矩與引力隆起上的扭矩平衡，則熱木星將不會被潮汐鎖定(見圖一)。因此，由於非同步旋轉引起的潮汐磨擦提供了內部熱量，較大的熱木星得以維持。由於原始模型忽略了潮汐熱凸起的輻射冷卻，後來兩位法國天體物理學家Auclair-Desrotour和Leconte在考慮到輻射冷卻後，顯示潮汐熱凸起會明顯減弱，更無法深入到行星內部，這結果說明潮汐熱凸起的模型是有問題的。

　　但是我們都知道，除了輻射冷卻之外，由於存在溫室氣體，地球大氣層仍持續遭受全球暖化的問題。在熱木星大氣中，有著大量的溫室氣體，如CO和H₂O。過去熱潮汐波的模型忽略了溫室效應，有鑑於此，辜博士與國立台灣大學的學生彭達剴和輔仁大學數學系嚴健彰教授合作，將溫室效應納入了他的熱木星大氣模型。他們發現，熱輻射的吸收（即溫室效應）可以抗衡輻射冷卻，導致幾乎未消弱的熱潮汐凸起。更有趣的是，這項研究可能用來推斷出熱木星的形成位置。在熱木星大氣中，溫室效應的強度取決於其成分，更廣泛地說──它取決於碳氧比。由於碳和氧之間的不同冷凝溫度，該比例隨著原始行星盤中不同的位置而變化。因此，熱木星大氣中的碳氧比將提供有利的線索，追遡到數十億年前，熱木星在原始行星盤中的何處形成的。這一結果感謝科技部的支持，已於去（2019）年12月發表在《天文物理學期刊》上。

　　雖然熱木星是透過從原始行星盤中吸收氣體而誕生的，但原始行星盤與恆星是在氫分子雲中，由寒冷緻密的星核經重力塌陷形成的。然而，分子雲並不是一個平靜的靜態空間，而是一個充滿超音速湍流的世界。而且，分子雲中的氣體通常被宇宙射線微弱地電離化。長期以來，人們一直懷疑星際磁場可能會阻礙星核的形成，在這種不友善的環境中，高密度的星核如何形成？多年來，基於觀測和數值模擬，天文學家一直在思考這個具有挑戰性的問題──領先的模型之一是透過湍流的碰撞來產生緻密的星核。 

　　超音速湍流碰撞時會產生衝擊波。在分子雲中，衝擊波不再有劇烈的結構，而是透過離子和中性分子相互碰撞使其呈現平滑的變化。這種類型的衝擊波被廣泛稱為連續型（C型）衝擊波。十多年前，Doug N. C. Lin，Ethan Vishniac和辜品高博士在弱電離電漿環境中發現了「阻力不穩定性」。之所以稱其為阻力不穩定性，是因為這種效應是由離子和中性分子彼此間的拖曳力所引起，從而導致不穩定性波的現象。原本論文中推論，阻力不穩定性可能發生在C型衝擊波中。 

　　一直到2019年10月，辜博士聽取了維吉尼亞大學的陳哲聿博士談論有關星核形成的座談會後，這一推論才真正被證實。這次機會使兩位研究人員聚集在一起，仔細研究了這一推論。他們進行了計算，證明阻力不穩定性確實在C型衝擊波中發生，並發現越強的衝擊波，對不穩定性的增長越有利。有趣的是，他們的分析顯示，在典型恆星形成雲的環境中，密度的增長快於速度和磁場的增長(見圖二)，因此使阻力不穩定成為分子雲中可能的星核製造者。此一研究結果也託科技部的福，於2020年7月發表在《天文物理學期刊》上。

圖二：阻力不穩定性所造成密度 δρ，速度δv，和磁場 δB延著C型衝擊波的微擾量。密度微擾量大過於其他的微擾量，顯示密度微擾的重要性。（《天文物理學期刊，2020, 898, 67》）