衛星遙測技術即時監控水域
恆星與原行星盤的形成過程緊密相關,但因為尺度大小差異懸殊而且物理機制複雜,長久以來的理論研究多分別探討這兩個面向,本研究利用了超級電腦進行高效能數值模擬,用以探討由原恆星核塌縮到原行星盤的過程,其中考慮了非理想磁流體與輻射轉移過程,結果顯示,過去對原恆星盤內的物質輸送過程,需要相當程度的修正,當原行星盤還深深包覆於原恆星核中時,層流與磁場的效應遠比紊流重要許多。
古老礦物中保留了太陽系與地球形成過程的歷史。宇宙中的元素組成最主要是大暴漲時產生的氫與氦,其他較重的元素(被天文學家統稱為金屬)都是在數代恆星形成與死亡的過程中陸續產生的,這些金屬形成複雜分子或礦物,有些以塵埃顆粒的型態漂浮在星際介質中,太陽系最初始形成時的原料物質中,只有百分之一是這些金屬元素,其他幾乎是氫分子氣體,因此,礦物是珍稀的,如何從一個原是氣體為主的原行星盤,到氣體被吹散後剩下岩質星體的行星系統,這之間經過了許多仍待了解的複雜演化過程。當原太陽形成時,核融合反應啟動,高能的輻射加熱了原行星盤內與附近的物質,溫度之高足以蒸發游離所有的礦物塵埃顆粒,若這些元素能夠被向外運送遠離原太陽,新的礦物才能再凝結成形。
不同的礦物種類代表了一個形成的時間序列、抑或是冷卻過程的溫度序列,若經由各種傳輸機制把氣態的元素往外擴散,在越來越低的溫度與壓力狀態下,一系列的礦物會依周遭的物理與化學條件形成:包含難熔礦物到具揮發性礦物。其中,CAI (calcium-aluminium-rich inclusions) 為一種在碳質球粒隕石中發現的富鈣鋁夾雜物,熔點約為1500 K,是太陽系中熔點最高的礦物,也因此是最早形成的礦物,CAI的放射性元素定年精準給出了太陽系的時間起點:45.67億年以前。
耐人尋味的是,CAI應該形成於原太陽的附近,然而在今日,從四面八方來的隕石都被發現含有CAI,甚至是從太陽系邊緣的彗星、寒冷之境來的髒雪球,都帶有CAI,這意味著太陽系形成早期,物質的運送非常活躍,不同的礦物在相異的條件下形成,卻被各種輸送機制混合在一起。
許多恆星形成的研究並不考慮小尺度行星盤形成的過程,而行星盤的研究則很少實際計算物質如何由原恆星核掉入恆星—星盤系統,我們使用超級電腦模擬由原恆星核塌縮到原行星盤的過程,並且考慮了非理想磁流體與輻射轉移的效應,以達到最接近真實的情況,此研究中形成的原行星盤與觀測到的星體有相似的大小,我們從模擬結果中分析原行星盤中的質量輸送,因而發現,大部分的物質從遠離原行星盤面的高緯度直接落入原太陽,而不是如過往大部分模型描述的掉入原行星盤、再經原行星盤掉入原太陽,而原行星盤的赤道面中心,幾乎無紊流運動,許多的物質輸送是直接藉由規則的層流運動,有時甚至由內往外,如此的層流運輸,遠較於紊流擴散運輸更有效率。這項研究的發現顯示,過往對原行星盤於太陽系形成過程中的角色認知,需要許多修正與更進一步的探討。
圖:原行星盤與其周遭角動量輸送(國際標準單位),灰階背景為單位質量之角動量,由左上逆時鐘依序為層流輸送、紊流輸送、磁場輸送、與總輸送量。
延伸閱讀-科技部(科技大觀園)
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