Titankollisioner är normen i unga solsystem. Jordens måne var resultatet av en av dessa kollisioner när protoplaneten Theia kolliderade med jorden för cirka 4,5 miljarder år sedan. Kollisionen, eller serie av kollisioner , skapade en virvlande massa av ejecta som så småningom smälte samman till månen. Det kallas för Giant Impact Hypothesis .
Astronomer tror att kollisioner av det här slaget är en vanlig del av planetbildningen i unga solsystem, där saker och ting inte har lagt sig till förutsägbarhet. Men att se någon av dessa kollisioner runt andra stjärnor har visat sig svårt.
Ett team av astronomer har hittat ett av dessa unga system fortfarande i sin kaotiska ungdom. De har hittat bevis på en kollision mellan en planet i ungefär jordens storlek och en mindre stötkropp som tog bort atmosfären från den större planeten. Kollisionen inträffade för cirka 200 000 år sedan. Medan tidigare forskning har visat att en kollision sannolikt ägde rum, är upptäckten av atmosfärisk strippning ny.
Teamet har publicerat en artikel i tidskriften Nature som beskriver deras observationer. Tidningen heter ' Kolmonoxidgas producerad av en gigantisk påverkan i det inre området av ett ungt system. ” Huvudförfattaren är Tajana Schneiderman, en doktorand vid MIT:s avdelning för jord-, atmosfär- och planetvetenskap.
Upptäckten är centrerad kring en stjärna som fångade astronomers uppmärksamhet redan på 1980-talet. Den heter HD 172555 och den är cirka 95 ljusår bort och cirka 23 miljoner år gammal. Stjärnan var anmärkningsvärd för sin ljusstyrka i det mellaninfraröda. Vid sin unga ålder tror astronomer att detta solsystem är i ett tidigt skede av att bilda jordiska planeter.
När ett solsystem bildar jordiska planeter förväntar sig astronomer att se saker som pyroxen och olivin i stjärnans protoplanetariska skiva. Men istället är HD 172555 omgiven av oväntade material som amorf kiseldioxid och SiO-gas. Men SiO-gas är i grunden förångad bergart, och dess närvaro innebar att något extremt energiskt ägde rum för att förånga det. Inte nog med det utan stjärnan är också omgiven av mycket damm. Och i det här fallet är dammkornen ovanligt fina.
Endast en höghastighetspåverkan kunde ha förångat berget till SiO. Det tar mycket energi att förånga sten, och endast hastigheter i intervallet 10 km per sekund, eller över 22 000 mph, kunde ha gjort det.
Detta spektrum, eller plot av infraröda data, från NASA:s Spitzer Space-teleskop avslöjar närvaron av förångad och smält sten, tillsammans med spillror, runt den unga, heta stjärnan HD 172555. Bildkredit: NASA/JPL-Caltech/C. Lisse (Johns Hopkins University.)
Men det finns mer. Inte bara finns det finkornigt damm och förångad sten som kretsar kring HD 172555, utan stjärnan har också en ring av kolmonoxid som kretsar runt med SiO och det dammiga skräpet. Gruppen av forskare tror att kollisionen är ansvarig för det också. De tror att CO är en del av den större planetens atmosfär som slets bort av kollisionen. Denna dubbeldetektering av skräp och koldioxid gjorde teamet upphetsat.
'På grund av dessa två faktorer har HD 172555 ansetts vara det här konstiga systemet,' sa Schneiderman i en pressmeddelande.
'Det här är första gången vi har upptäckt det här fenomenet, av en avskalad protoplanetär atmosfär i ett gigantiskt nedslag', säger huvudförfattaren Tajana Schneiderman. 'Alla är intresserade av att observera en jätteeffekt eftersom vi förväntar oss att de är vanliga, men vi har inte bevis i många system för det. Nu har vi ytterligare insikt i denna dynamik.”
Den avskalade kolmonoxiden som kretsar kring stjärnan spelade en avgörande roll i denna forskning. Astronomer letar efter CO på grund av dess ljusstyrka. 'När människor vill studera gas i skräpskivor, är kolmonoxid vanligtvis den ljusaste, och därmed den lättaste att hitta,' sa Schneiderman. 'Så vi tittade på kolmonoxiddata för HD 172555 igen eftersom det var ett intressant system.'
Teamet granskade data från SJÄL (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array), en kraftfull uppsättning radioskålar som fungerar som en interferometer. De letade efter bevis på CO i data och hittade det. De kunde mäta dess överflöd och teamet säger att de fann CO lika med cirka 10 gånger massan av jordens hela atmosfär.
Men utöver betydelsen av att hitta så mycket CO, var dess plats ännu mer spännande. Gasen var bara 10 AU från stjärnan, vilket är förvånansvärt nära. Vanligtvis skulle gas och damm i en protoplanetär skiva sträcka sig till tiotals eller hundratals AU, enligt tidningen.
'Närvaron av kolmonoxid så nära kräver viss förklaring', säger Schneiderman.
Och det är inte bara närheten till CO som kräver en förklaring. Det är det faktum att det fortfarande finns där. Unga stjärnor föds med urskivor av gas och damm, men väldigt få varar så länge som HD 172555 års ålder. Vid 23 miljoner år gammal skulle den gasen på något sätt ha varit avskärmad för att överleva så länge. 'Unga stjärnor av A-typ föds omgivna av protoplanetära skivor av urgas och stoft, men bara 2–3% överlever bortom de första 3 myren av en stjärnas livstid', skriver författarna. 'Även om den CO som observerades runt HD 172555 var primordial, med dess livslängd förlängd genom avskärmning, skulle systemet förbli en anmärkningsvärd avvikare inte bara i ålder (vid 23 Myr gammal) utan också i dammmassa...'
Sammantaget ger typen av material runt stjärnan, det finkorniga dammet och CO till ett mycket ovanligt system. Kan det ha bildats på detta sätt utan någon inverkan för att förklara det? Möjligt, men osannolikt, enligt författarna.
Att förklara det hela utan en höghastighetspåverkan skulle vara svårt. Det är möjligt att det finns osynliga planetariska följeslagare runt stjärnan som har format skivan och hållit CO nära. Det är möjligt att stötar i solnebulosan förångade berget till SiO-gas, liknande de stötar som bildades chondrules i vårt eget solsystem. Och det är möjligt att en pågående kaskad av kollisioner mellan asteroider kunde ha skapat den stora massan av damm som upptäckts runt HD 172555.
Men det är inte troligt, enligt författarna. Det finns inte heller någon av de andra möjliga förklaringarna, som en inåtgående spridning av kometer från något som Kuiperbältet här i vårt eget solsystem.
Detta är en konstnärs illustration av HD 17255. Under 2017 upptäckte astronomer som använde rymdteleskopet Hubble kolmonoxid och kiselgas runt HD 172555 och tillskrev det till infallande kometer från de avlägsna delarna av stjärnans solsystem. Men den här nya forskningen visar att bara en titanisk kollision mellan planeter kan förklara det. Bildkredit: NASA, ESA, A. Feild och G. Bacon (STScI)
Det finns bara en slutsats som står för alla observationer enligt författarna.
'Detekteringen och morfologin av CO-gas, kombinerat med tidigare bevis från dammavbildning och spektroskopi, stödjer en bild där ett jättenedslag ägde rum för minst 0,2? Myr? sedan i den yttre terrestra planetbildande regionen av den 23-Myr-gamla HD?172555-system”, skriver de. Dessa typer av planetariska nedslag förväntas vara vanliga i system av denna ålder.
'Av alla scenarier är det det enda som kan förklara alla funktioner i datan', säger Schneiderman. 'I system av den här åldern förväntar vi oss att det kommer att finnas jätteeffekter, och vi förväntar oss att jätteeffekter verkligen är ganska vanliga. Tidsskalorna löser sig, åldern löser sig och de morfologiska och sammansättningsmässiga begränsningarna löser sig. Den enda rimliga processen som skulle kunna producera kolmonoxid i det här systemet i detta sammanhang är en jätteeffekt.'
Att hitta CO runt HD 172555 kan vara en riktig välsignelse för studiet av unga solsystem.
'Nu finns det en möjlighet för framtida arbete bortom detta system,' säger Schneiderman. 'Vi visar att om du hittar kolmonoxid på en plats och morfologi som överensstämmer med en gigantisk påverkan, ger det en ny väg för att leta efter gigantiska effekter och förstå hur skräp beter sig i efterdyningarna.'
Mer:
- Pressmeddelande: Astronomer upptäcker tecken på en atmosfär som tagits bort från en planet under en jättenedslag
- Publicerad Forskning: Kolmonoxidgas producerad av en gigantisk påverkan i det inre området av ett ungt system
- Universum idag: Protoplanetära skivor kastar ut mer material än vad som förvandlas till planeter