Titanische Kollisionen sind in jungen Sonnensystemen die Regel. Der Erdmond war das Ergebnis einer dieser Kollisionen, als der Protoplanet Theia vor etwa 4,5 Milliarden Jahren mit der Erde kollidierte. Die Kollision, oder Serie von Kollisionen , erzeugte eine wirbelnde Masse von Auswurf, die schließlich zum Mond verschmolz. Es heißt die Giant Impact Hypothese .
Astronomen glauben, dass Kollisionen dieser Art ein häufiger Bestandteil der Planetenbildung in jungen Sonnensystemen sind, in denen sich die Dinge noch nicht auf Vorhersehbarkeit eingestellt haben. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, eine dieser Kollisionen um andere Sterne herum zu sehen.
Ein Team von Astronomen hat eines dieser jungen Systeme noch in seiner chaotischen Jugend gefunden. Sie haben Beweise für eine Kollision zwischen einem ungefähr erdgroßen Planeten und einem kleineren Impaktor gefunden, der die Atmosphäre von dem größeren Planeten entfernt hat. Die Kollision ereignete sich vor etwa 200.000 Jahren. Während frühere Forschungen gezeigt haben, dass wahrscheinlich eine Kollision stattgefunden hat, ist die Entdeckung des atmosphärischen Strippings neu.
Das Team hat einen Artikel in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, der seine Beobachtungen skizziert. Das Papier trägt den Titel „ Kohlenmonoxidgas, das durch einen riesigen Einschlag im inneren Bereich eines jungen Systems entsteht. ” Die Hauptautorin ist Tajana Schneiderman, eine Doktorandin am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences des MIT.
Die Entdeckung dreht sich um einen Stern, der in den 1980er Jahren die Aufmerksamkeit der Astronomen auf sich zog. Es heißt HD 172555 und ist etwa 95 Lichtjahre entfernt und etwa 23 Millionen Jahre alt. Der Stern zeichnete sich durch seine Helligkeit im mittleren Infrarot aus. In seinem jungen Alter glauben Astronomen, dass sich dieses Sonnensystem in den frühen Stadien der Bildung terrestrischer Planeten befindet.
Wenn ein Sonnensystem terrestrische Planeten bildet, erwarten Astronomen, Dinge wie Pyroxen und Olivin in der protoplanetaren Scheibe des Sterns zu sehen. Stattdessen ist HD 172555 von unerwarteten Materialien wie amorphem Siliziumdioxid und SiO-Gas umgeben. Aber SiO-Gas ist im Grunde verdampftes Gestein, und seine Anwesenheit bedeutete, dass etwas extrem Energetisches geschah, um es zu verdampfen. Nicht nur das, der Stern ist auch noch von viel Staub umgeben. Und in diesem Fall sind die Staubkörner ungewöhnlich fein.
Nur ein Aufprall mit hoher Geschwindigkeit hätte das Gestein zu SiO verdampfen können. Es braucht viel Energie, um Gestein zu verdampfen, und nur Geschwindigkeiten im Bereich von 10 km pro Sekunde oder über 22.000 mph könnten dies getan haben.
Dieses Spektrum oder Diagramm von Infrarotdaten des Spitzer-Weltraumteleskops der NASA zeigt das Vorhandensein von verdampftem und geschmolzenem Gestein zusammen mit Schutt um den jungen, heißen Stern HD 172555. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech/C. Lisse (Johns Hopkins University.)
Aber es gibt noch mehr. Um HD 172555 kreist nicht nur feinkörniger Staub und verdampftes Gestein, sondern der Stern hat auch einen Ring aus Kohlenmonoxid, der zusammen mit dem SiO und den staubigen Trümmern umkreist. Auch dafür sieht die Forschergruppe die Kollision verantwortlich. Sie glauben, dass das CO ein Teil der Atmosphäre des größeren Planeten ist, der durch die Kollision weggerissen wurde. Diese doppelte Erkennung von Trümmern und CO hat das Team begeistert.
„Aufgrund dieser beiden Faktoren wurde HD 172555 für dieses seltsame System gehalten“, sagte Schneiderman in a Pressemitteilung.
„Dies ist das erste Mal, dass wir dieses Phänomen einer gestrippten protoplanetaren Atmosphäre bei einem riesigen Einschlag entdeckt haben“, sagt Hauptautorin Tajana Schneiderman. „Jeder ist daran interessiert, einen riesigen Einfluss zu beobachten, weil wir erwarten, dass er häufig vorkommt, aber wir haben in vielen Systemen keine Beweise dafür. Jetzt haben wir zusätzliche Einblicke in diese Dynamiken.“
Das entfernte Kohlenmonoxid, das den Stern umkreist, spielte bei dieser Forschung eine entscheidende Rolle. Astronomen suchen nach CO wegen seiner Helligkeit. „Wenn Leute Gas in Trümmerscheiben untersuchen wollen, ist Kohlenmonoxid normalerweise am hellsten und daher am einfachsten zu finden“, sagte Schneiderman. „Also haben wir uns die Kohlenmonoxid-Daten für HD 172555 noch einmal angesehen, weil es ein interessantes System war.“
Das Team brütete über Daten von SEELE (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array), ein leistungsstarkes Array von Radioschüsseln, die als Interferometer fungieren. Sie suchten in den Daten nach Hinweisen auf CO und fanden sie. Sie konnten seine Häufigkeit messen und das Team sagt, dass sie CO gefunden haben, das etwa der 10-fachen Masse der gesamten Erdatmosphäre entspricht.
Aber abgesehen von der Bedeutung, so viel CO zu finden, war seine Lage noch faszinierender. Das Gas war nur 10 AE vom Stern entfernt, was überraschend nahe ist. Typischerweise würden sich Gas und Staub in einer protoplanetaren Scheibe auf Dutzende oder Hunderte von AE ausdehnen, so das Papier.
„Das Vorhandensein von Kohlenmonoxid in dieser Nähe erfordert eine Erklärung“, sagt Schneiderman.
Und nicht nur die Nähe von CO bedarf einer Erklärung. Es ist die Tatsache, dass es immer noch da ist. Junge Sterne werden mit ursprünglichen Gas- und Staubscheiben geboren, aber nur sehr wenige überleben so lange wie HD 172555. Mit 23 Millionen Jahren hätte dieses Gas irgendwie abgeschirmt werden müssen, um so lange zu überleben. „Junge Sterne vom Typ A werden umgeben von protoplanetaren Scheiben aus Urgas und -staub geboren, aber nur 2–3% überleben über die ersten 3 Myr der Lebenszeit eines Sterns hinaus“, schreiben die Autoren. „Selbst wenn das um HD 172555 beobachtete CO primordial wäre, mit seiner durch Abschirmung verlängerten Lebensdauer, würde das System nicht nur im Alter (bei 23 Myr alt) sondern auch in der Staubmasse ein bemerkenswerter Ausreißer bleiben…“
Alles in allem addieren sich die Art der Materialien um den Stern, der feinkörnige Staub und das CO zu einem sehr ungewöhnlichen System. Könnte es sich so gebildet haben, ohne dass es irgendwelche Auswirkungen hätte, um es zu erklären? Möglich, aber unwahrscheinlich, so die Autoren.
Es wäre schwierig, dies alles ohne einen Hochgeschwindigkeitsaufprall zu erklären. Es ist möglich, dass sich um den Stern unsichtbare planetarische Begleiter befinden, die die Scheibe geformt und das CO in der Nähe gehalten haben. Es ist möglich, dass Erschütterungen im Sonnennebel das Gestein zu SiO-Gas verdampften, ähnlich den Erschütterungen, die sich bildeten Chondren in unserem eigenen Sonnensystem. Und es ist möglich, dass eine andauernde Kaskade von Kollisionen zwischen Asteroiden die schiere Staubmasse erzeugt hat, die um HD 172555 entdeckt wurde.
Aber das ist laut den Autoren nicht wahrscheinlich. Keine der anderen möglichen Erklärungen, wie eine nach innen gerichtete Streuung von Kometen von etwas wie dem Kuipergürtel hier in unserem eigenen Sonnensystem.
Dies ist eine künstlerische Illustration von HD 17255. Im Jahr 2017 entdeckten Astronomen mit dem Hubble-Weltraumteleskop Kohlenmonoxid und Siliziumgas um HD 172555 herum und schrieben es einfallenden Kometen aus den fernen Bereichen des Sonnensystems des Sterns zu. Aber diese neue Forschung zeigt, dass nur eine gigantische Kollision zwischen Planeten dafür verantwortlich sein kann. Bildquelle: NASA, ESA, A. Feild und G. Bacon (STScI)
Laut den Autoren gibt es nur eine Schlussfolgerung, die alle Beobachtungen erklärt.
„Der Nachweis und die Morphologie von CO-Gas, kombiniert mit früheren Beweisen aus Staubbildgebung und Spektroskopie, unterstützen ein Bild, bei dem ein riesiger Einschlag vor mindestens 0,2? HD?172555-System“, schreiben sie. Es wird erwartet, dass diese Arten von planetarischen Einschlägen in Systemen dieses Zeitalters üblich sind.
„Von allen Szenarien ist es das einzige, das alle Merkmale der Daten erklären kann“, sagt Schneiderman. „In Systemen dieses Zeitalters erwarten wir riesige Einschläge, und wir erwarten, dass riesige Einschläge wirklich ziemlich häufig sind. Die Zeitskalen passen sich an, das Alter wird herausgearbeitet und die morphologischen und kompositorischen Beschränkungen werden herausgearbeitet. Der einzig plausible Prozess, der in diesem Zusammenhang Kohlenmonoxid in diesem System erzeugen könnte, ist eine Riesenwirkung.“
Das Auffinden von CO rund um HD 172555 könnte ein echter Segen für die Erforschung junger Sonnensysteme sein.
„Jetzt besteht die Möglichkeit für zukünftige Arbeiten über dieses System hinaus“, sagt Schneiderman. „Wir zeigen, dass, wenn Sie Kohlenmonoxid an einem Ort und einer Morphologie finden, die mit einem riesigen Einschlag übereinstimmen, es einen neuen Weg bietet, nach riesigen Einschlägen zu suchen und zu verstehen, wie sich Trümmer danach verhalten.“
Mehr:
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