北落师门（Fomalhaut）又称南鱼座 α 星，是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月，以美国亚利桑那大学（University of Arizona）天文学家加斯帕（András Gáspár）为首的研究团队在《自然天文学》（Nature Astronomy）期刊上发表，他们藉由詹姆士.韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST，简称韦伯望远镜），在北落师门周围残屑盘（debris disk）中首次发现了“系外小行星带”的存在。韦伯望远镜拍下美丽的照片，也瞬间席捲各大科学与科普媒体的版面（图一）。
图一：韦伯望远镜在波长约 25 微米（μm）的中红外线拍摄的北落师门影像，首次呈现北落师门残屑盘中的三层结构。（NASA, ESA, CSA, A. Pagan （STScI）, A. Gáspár （University of Arizona））
天文学家选择北落师门作为目标并非偶然。半个世纪以来，北落师门一直是天文学家研究残屑盘时的首选目标之一。韦伯望远镜的新影像为我们带来什么新发现?过去与现在的观测方式又有什么差异?本文将带着大家一起回顾北落师门残屑盘的观测史。
行星相互碰撞后的残屑盘
残屑盘是环绕在恒星周遭，由颗粒大小不一的尘埃所组成的盘状结构。如果读者们听过行星形成的故事，也知道行星是从恒星四周、由气体与尘埃组成的“原行星盘”（protoplanetary disk）中诞生，那你或许会认为残屑盘可能就是行星形成后剩下的尘埃。但实际上并非如此，在恒星形成初期的数百万年间，原行星盘中的气体和尘埃会被恒星吸积或是吸收恒星辐射的能量后蒸发，同时也会聚集成小型天体或行星，这些原因都会使原行星盘消散。而残屑盘则是由盘面上的小行星等天体们互相碰撞后，产生的第二代尘埃组成（图二）。
图二：残屑盘想象图（NASA/JPL-Caltech）
这些尘埃发光的机制主要有两种。第一，尘埃本身可以散射来自母恒星的星光，从而让天文学家能在可见光与近红外波段看到它们。第二，尘埃在吸收来自恒星的星光之后，以热辐射的形式将这些能量重新释放。由于恒星的光强度与距离成平方反比，愈靠近恒星，尘埃的温度就愈高，因此发出的辐射以近红外线为主;反之，愈是远离恒星，尘埃的温度就愈低，发出的光就以中远红外线为主。
观测目标：北落师门
北落师门残屑盘的观测始于 1983 年。当时，美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的红外线天文卫星（Infrared Astronomical Satellite, IRAS）发现北落师门在红外线波段的亮度异常高，代表周围很可能有残屑盘围绕。由于北落师门离地球仅约 25 光年，这项发现引起众多天文学家的关注，并在未来数十年前仆后继地拿出各波段最好的望远镜，希望藉此深入了解残屑盘的特性。其中，哈伯太空望远镜（Hubble Space Telescope, HST，简称哈伯望远镜）、阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA）与韦伯望远镜拥有非常好的空间解析度，因此能够清楚地观测残屑盘的结构。
● 哈伯的观测
2008 年， NASA 公布哈伯望远镜在 2004 与 2006 年对北落师门的观测结果（图三），让天文学家首次清晰地看到北落师门残屑盘的影像。这张照片是哈伯望远镜以日冕仪（coronagraph）在 600 纳米（nm）的可见光波段下拍摄，中间的白点代表北落师门的位置，而周围的环状亮带正是因散射的北落师门星光而发亮的残屑盘，放射状的条纹则是日冕仪没能完全消除的恒星散射光。除此之外，天文学家还发现有一个亮点正围绕着北落师门运行，并认为此亮点可能是一颗围绕北落师门的行星，于是将它命名为“北落师门 b ”。很可惜在往后的观测中，天文学家发现北落师门 b 渐渐膨胀消散，到 2014 年时就已经完全看不见了。因此它很可能只是一团尘埃，而非真正的行星。
图三：哈伯望远镜于 2008 年公布的北落师门。中间白点代表北落师门的位置，周围环状亮带是因散射北落师门的星光而发亮的残屑盘，放射状条纹则是没完全消除的恒星散射光。右下角亮点当时被认为是围绕北落师门的行星，但很可能只是尘埃。（Ruffnax （Crew of STS-125）;NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite （University of California, Berkeley）, M. Clampin （NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.）, M. Fitzgerald （Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.）, and K. Stapelfeldt and J. Krist （NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.）
● ALMA 的观测
ALMA 对北落师门的完整观测于 2017 年亮相，他们展示出更加清晰漂亮的环状结构，且位置与哈伯望远镜的观测吻合。正如前面提到，残屑盘中的尘埃温度愈低，放出的辐射波长就愈长。因此 ALMA 在 1.3 毫米（mm）波段观测到的影像，主要来自离残屑盘中恒星最远、最冷的部分。
图四： ALMA 于 2017 年拍摄的北落师门残屑盘，展示出清晰漂亮的环状结构。（Sergio Otárola|ALMA （ESO/NAOJ/NRAO）;M. MacGregor）
● 韦伯望远镜的观测
最后则要来看去年韦伯望远镜所使用中红外线仪（mid-infrared instrument, MIRI）拍摄的影像（图五）。与之前的观测不同，这次的影像显示北落师门的残屑盘其实分成几个部分：
图五：韦伯望远镜在 25 微米波段观测到的北落师门残屑盘。（NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan （STScI）, A. Gáspár （University of Arizona））
首先，哈伯望远镜与 ALMA 之前就已观测到的尘埃环，它的半径约 136～150 天文单位（AU）、宽约 20～25 AU，而温度则落在约 50～60 K，与太阳系的古柏带（Kuiper belt）十分相似，因此被称为“类古柏带环”（KBA ring）。虽然在观测上的温度相似，但其实此尘埃环与北落师门的距离是古柏带到太阳的四倍;不过北落师门光度约为太阳的 16 倍，根据前述提及的平方反比关系，才导致两者的温度相近。此外，在更外层名为“晕”（halo）的黯淡结构则对应古柏带外围天体密度较低的区域。
再来，韦伯望远镜还发现了更多未解的谜团：内侧残屑盘（inner disk）与中间环（intermediate ring）。其实早在本次韦伯望远镜的观测之前，天文学家就已经从北落师门的光谱推测，北落师门的残屑盘中除了存在前面提过的类古柏带环之外，应该还有另一批更靠近恒星、温度更高的尘埃，温度与大小对应太阳系中的环状小行星带。但当韦伯望远镜实际观测后，却发现与太阳系的环状小行星带相比，北落师门有着相当弥散的内侧残屑盘。为什么会有这样的不同呢?目前天文学家也不清楚，仍待进一步研究。
最后，在类古柏带环与内侧残屑盘之间，还存在着一个半长轴约 104 AU 的“中间环”，在太阳系中则没有对应的结构，这项新发现也需要进一步的研究来了解它的来源。
此外，虽然北落师门 b 最终被证实并不是一颗行星，但这并不代表北落师门旁没有行星环绕。最初，残屑盘的形成原因是由小行星等天体不断碰撞所产生，经过不断地碰撞合并，其实就有可能已经产生直径数百到数千公里的行星。从北落师门的残屑盘还可以推论，在内侧残屑盘与中间环之间可能有一颗海王星质量以上的行星，它就像铲雪车般清除轨道上的尘埃，从而产生“内侧裂缝”（inner gap）的结构。
另一方面，天文学家也藉由数值模拟发现，如果仅考虑来自北落师门的重力影响，类古柏带环应该要比观测到的更宽才对。因此他们推测，很可能在类古柏带环内外两侧有两颗行星，像控制羊群的牧羊犬一样以自身的重力限制尘埃移动，才产生了这么细的尘埃环。
● 更多的残屑盘观测
北落师门虽然是一颗年龄仅4.4亿年的年轻恒星，却已经是一个拥有残屑盘、形成行星的成熟恒星系统。而来自韦伯望远镜的最新观测结果，无疑让天文学家更深入地认识残屑盘中复杂的结构，也更令他们相信北落师门系统中有多个行星环绕。
不过，北落师门系统仍旧有许多未解之谜。例如为什么太阳系有着环状的小行星带，北落师门却是弥散的内侧残屑盘?在无数的恒星中，究竟是太阳系还是北落师门的残屑盘构造比较常见?残屑盘中是否有行星存在?如果有，在北落师门的演化历史中又扮演着怎样的角色呢?这些问题都有待更多的观测与理论模拟来解答。
在北落师门之后，观测团队预计将韦伯望远镜指向天琴座的织女星（α Lyr, Vega），以及位于波江座的天苑四（ε Eri），两者都是离地球非常近且拥有残屑盘的恒星。其中织女星的温度与质量比北落师门更大，而天苑四的质量与温度虽然比太阳小，却有强烈的磁场活动。藉由观测不同系统中残屑盘的性质差异，并与太阳系进行对比，不仅能更加认识残屑盘的起源、与行星的交互作用，更能理解我们自己的恒星系中，数百万颗的太阳系小天体从何而来。
