水是地球上生命的基礎，也是行星形成的重要環節。然而，水在宇宙中的分布和演化還有許多未知之處。最近，一項國際合作研究利用阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）首次繪制出了一顆年輕恒星周圍的原行星盤中水蒸氣的詳細影像，揭示了水在行星可能正在形成的地方的豐富性和多樣性。這一發現為我們理解行星系統的起源和演化提供了新的視角，也為我們尋找宜居世界的可能性提供了新的線索。
原行星盤：行星的搖籃
原行星盤是圍繞年輕恒星的塵埃和氣體的旋轉圓盤，它們為行星的誕生提供了基本材料。在原行星盤中，塵埃粒子會透過碰撞和粘附逐漸聚整合更大的天體，最終形成行星。原行星盤的物理和化學性質決定了行星的種類和數量，以及行星上是否存在水等關鍵成分。因此，研究原行星盤的結構和演化對於揭示行星系統的多樣性和復雜性至關重要。
然而，原行星盤並不是孤立存在的，它們也受到周圍恒星的影響。特別是，大質素恒星的存在會對原行星盤產生巨大的影響。這些恒星的質素大約是太陽的 10 倍，亮度是太陽的 10 萬倍，它們發出的強烈紫外線（UV）輻射會對原行星盤造成破壞性的作用。紫外線輻射會加熱和電離原行星盤的上層氣體，使其逃逸到太空，這就是所謂的「光子驅動的星盤分散」現象。這種現象會導致原行星盤的質素損失，從而影響行星的形成和演化。特別是，如果原行星盤中的氣體在行星完全形成之前就被耗盡，那麽就很難形成氣態巨行星，如木星和土星。
ALMA：窺探水的神奇望遠鏡
要觀測原行星盤中的水，需要一台能夠穿透塵埃並探測到水蒸氣發射的望遠鏡。ALMA是一台由 66 個高精度的望遠鏡組成的幹涉儀，它位於智利阿塔卡馬沙漠的高海拔地區，海拔約 5000 米。ALMA可以觀測到從毫米波到亞毫米波的電磁輻射，這些輻射可以穿透原行星盤中的塵埃，同時也是水蒸氣的主要發射波段。ALMA還具有極高的分辨率和靈敏度，可以在一公裏的距離上顯示出細如發絲的細節，從而揭示原行星盤中水的分布和豐度。此外，ALMA還可以觀測到其他分子的發射，如一氧化碳（CO）和甲烷（Cp），這些分子可以反映原行星盤的溫度、密度和化學環境。因此，ALMA是研究原行星盤中水的理想工具。
水的發現：一個典型的案例
在 ALMA 的幫助下，一組國際科學家在一顆年輕的類太陽恒星周圍的原行星盤中發現了水蒸氣的豐富存在。這顆恒星名為 HL 金牛座，它距離地球 450 光年，位於金牛座星座。HL 金牛座是一顆 T 型恒星，它的質素約為太陽的 0.7 倍，表面溫度約為 3000 K，年齡約為 100 萬年。HL 金牛座的原行星盤的直徑約為 200 天文單位（1 天文單位等於地球到太陽的平均距離，約為 1.5 億公裏），質素約為太陽的 0.01 倍。這個原行星盤的特點是它有一個明顯的缺口，缺口的半徑約為 30 天文單位，缺口的形成可能與一顆或多顆行星的存在有關。
這項研究的結果發表在【自然-天文學】雜誌上，顯示了 ALMA 對 HL 金牛座原行星盤的水蒸氣發射的詳細影像。這些影像表明，在原行星盤的內部區域，即距離恒星 10 到 60 天文單位的區域，水蒸氣的豐度非常高，約為氫的 0.001 倍。這意味著，在這個區域內，水的總量至少是地球所有海洋的三倍。水蒸氣主要分布在原行星盤的上層，而不是在中心平面，這可能是由於紫外線輻射的加熱和光解作用。水蒸氣的分布也顯示出一些不對稱性和不規則性，這可能與原行星盤的結構和動力學有關。例如，在缺口的邊緣，水蒸氣的發射更強，這可能是由於缺口的邊緣有更多的塵埃和氣體被行星的重力攪動，從而產生更多的水蒸氣。
除了水蒸氣，ALMA 還觀測到了其他分子的發射，如 CO 和 Cp。這些分子可以提供原行星盤的其他資訊，如溫度、密度和化學組成。透過對這些分子的發射進行建模和分析，科學家們可以推斷出原行星盤的物理和化學性質，以及它們與水的相互作用。
對行星系統形成的啟示
這些發現強調了大質素恒星在塑造行星系統發展環境中的關鍵作用。這項研究還提供了一個令人信服的例子，說明我們的太陽系（據信是在包含一顆或多顆大質素恒星的星團中形成的）是如何受到類似的紫外輻射過程的影響的。事實上，我們的太陽系中的某些特征，如水星的小尺寸，火星的低密度，小行星帶的存在，以及太陽系外圍的凱伯帶，都可能與太陽系早期的輻射環境有關。透過闡明原行星盤的動力學和恒星輻射的巨大影響，這些研究為行星系統的形成提供了寶貴的視角。它們不僅增進了我們對宇宙復雜性的了解，還為未來探索恒星和行星形成的奧秘鋪平了道路。
未來，ALMA 將繼續觀測 HL 金牛座和其他原行星盤，以揭示更多關於水和其他分子的資訊，以及它們與行星形成的關系。此外，ALMA 還將與歐洲南方天文台（ESO）的超大望遠鏡（ELT）進行協同觀測，ELT 是一台直徑為 39 米的巨型光學望遠鏡，預計將於 2027 年投入使用。ELT 將能夠直接成像 HL 金牛座和其他原行星盤中的行星，以及它們的大氣層，從而為我們尋找宜居世界的可能性提供新的線索。特別是，ELT 的中紅外成像儀和攝譜儀（METIS）將為天文學家提供無與倫比的行星形成盤內部區域的景象，像地球這樣的行星就是在這些區域形成的。
水是連線恒星、行星和生命的紐帶，它在宇宙中的分布和演化是天文學的一個重要課題。透過 ALMA 和 ELT 等先進的望遠鏡，我們有望揭開水的奧秘，以及它對行星系統的形成和演化的影響。也許，我們會在不久的將來發現，水不僅在我們的太陽系中，而且在其他恒星周圍也是普遍存在的，甚至可能孕育出不同形式的生命。
