恆星周圍的「雪線」，講述太陽系年輕時的故事

藝術家的構想：長蛇座TW的星盤上，內側的顆粒上覆蓋了冰（藍色部分），靠外的顆粒上覆蓋了CO固體（綠色部分），藍色和綠色交接的地方即標誌出了雪線。來源：Bill Saxton and Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF

在地球上，雪線通常處於較高的海拔高度，隨海拔升高而下降的溫度使濕氣凝結成雪。在星系形成早期，恆星周圍的雪線則來源於原行星盤中遙遠、寒冷的地帶。日前，美國天文學家利用阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）望遠鏡，拍下了一個早期「太陽系」內的雪線圖片，這些冰冷的地域對新生恆星周圍的行星形成和化學構成有著非常重要影響，相關研究結果日前在《科學》發表。

長蛇座TW是一顆距離地球約175光年的年輕恆星，在它的周圍，ALMA望遠鏡發現了之前從未見到過的CO雪線。天文學家相信，這個初期「太陽系」，和我們的太陽系只有幾百萬年大的時候，一定有著許多相同的特徵。美國哈佛－史密森尼天體物理中心的研究人員漆春華說：「ALMA給了我們第一張年輕恆星周圍的雪線的真實圖片，這是非常令人興奮的。這張圖片告訴我們，太陽系在非常年輕的時候是怎樣的。」

在恆星的周圍，我們熟悉的水（H₂O）會首先凍結，隨著離開恆星的距離增大，二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化碳（CO）等氣體也被凍結，給星盤中的塵埃顆粒蒙上一層霜。這些塵埃顆粒便是將來構築行星和彗星的「磚塊」。「關於其他這個『太陽系』的冰凍外緣，我們現在能看到之前被藏起來的細節——和太陽系的年齡還不到1000萬歲時一樣的細節。」漆春華說。此前，探測雪線只能依靠分析雪線的光譜特徵，雪線從未被直接拍攝下來，因此它們的精確位置和規模都無法確定。

這是因為雪線只在相對狹窄的原行星盤中心面形成。這個區域之上或之下，恆星輻射使氣體保持溫暖，不會凍結。只有在星盤中心面的區域里，集中的塵埃和氣體所產生的絕熱效果才能讓溫度降低到使CO和其他氣體凍結。外緣的雪線像繭一樣包裹著內部的灼熱氣體，也隔絕了天文學家的視線，使得透過凍結的區域窺視星盤內部相當困難。「這就好比透過濃霧尋找一小片陽光。」和漆春華一同領導這項國際研究的哈佛大學研究者卡林·奧伯格（Karin Oberg）說。

然而，通過追蹤二亞胺氮鎓離子（HN₂⁺）的蹤跡，天文學家得以穿透其間的CO「濃霧」。CO氣體的存在會輕易地破壞脆弱的HN₂⁺，只在CO被凍結的區域才能檢測得到HN₂⁺——因此，HN2+成為了CO固體存在的標誌。HN₂⁺在光譜的毫米級的部分很亮，因此可以被ALMA這樣的射電望遠鏡檢測到。

ALMA特有的靈敏度和解析度讓天文學家得以追蹤HN2+的存在和分布情況，從而發現一條清晰的雪線邊界。這條邊界距離長蛇座TW大約30個天文單位（1個天文單位的長度為地日距離）。「利用這項技術，我們能創建長蛇座TW周圍的CO雪線底片。」奧伯格說：「這樣我們就能精確地看到CO雪線的理論位置——HN₂⁺分布的內緣。」

左圖：ALMA望遠鏡拍攝的長蛇座TW（白色五角星標記處）周圍形成的CO固體（綠色部分）。如果用太陽系作類比，藍色圓環所標記的就是海王星的軌道。來源：Karin Oberg, Harvard University/University of Virginia

下圖：左圖去掉藍色圓環後的樣子。來源同上。

天文學家相信，雪線在「太陽系」的形成中扮演著重要角色。它們給塵埃顆粒裹上一層粘粘的外殼，幫助塵埃顆粒克服相互碰撞和自毀的趨勢。此外，雪線的存在也增加了用於形成行星的固體的數量，這可能顯著加快行星的形成。每一種不同的雪線還都可能與特定種類行星的形成有關：在與太陽類似的恆星周圍，雪線可能對應木星的軌道，而CO雪線則可能對應海王星的軌道。CO固體的轉變也可能標誌著像冥王星這樣的矮星，以及像彗星那樣的小型冰體形成的起點。

奧伯格指出，CO雪線之所以有趣，是因為甲醇的形成需要CO，而甲醇是構成生命所需的複雜有機物的一種原料。彗星和小行星能把這些分子帶到新生的、像地球一樣的行星，在那裡留下生命的組分。

目前，這些發現只是利用ALMA望遠鏡全部66台天線中的一部分所得到的結果。研究者希望未來運用全部陣列進行的觀察能夠揭開其他雪線的真面目，並提供關於行星形成及演化的深刻認識。