Odkryto ogromną chmurę odłamków kosmicznych wokół młodej gwiazdy

Większość skalistych planet lub satelitów znajdujących się w naszym Układzie Słonecznym, takie jak Ziemia i Księżyc, powstały lub ukształtowały się w wyniku potężnych zderzeń na początku Układu Słonecznego. Zderzając się ze sobą, skaliste ciała mogą gromadzić więcej materiału, zwiększając swoje rozmiary, lub też mogą rozpadać się na wiele mniejszych ciał.

Astronomowie korzystający z będącego już na emeryturze Kosmicznego Teleskopu Spitzera NASA znaleźli w przeszłości dowody na tego typu zderzenia wokół młodych gwiazd, w których formują się skaliste planety. Jednak obserwacje te nie dostarczyły wielu szczegółów na temat tych zderzeń, takich jak rozmiar obiektów biorących w nich udział.

W nowej pracy opublikowanej w periodyku "Astrophysical Journal", grupa astronomów pod kierownictwem Kate Su z Uniwersytetu Arizony informuje o pierwszych obserwacjach chmury odłamków powstałej w wyniku jednego z takich zderzeń, która przeszła przed swoją gwiazdą i na krótko zablokowała światło. Astronomowie nazywają takie zjawisko tranzytem. W połączeniu z wiedzą na temat wielkości i jasności gwiazdy, obserwacje pozwoliły badaczom bezpośrednio określić wielkość chmury tuż po zderzeniu i oszacować wielkość obiektów, które się zderzyły oraz obserwować prędkość, z jaką chmura się rozpraszała.

- Nic nie zastąpi bycia naocznym świadkiem zdarzenia - powiedział George Rieke, również z Uniwersytetu Arizony i jednocześnie współautor nowych badań. - Wszystkie przypadki zgłoszone wcześniej przez Spitzera były nierozwiązane, z jedynymi hipotezami na temat tego, jak mogło wyglądać rzeczywiste zdarzenie i chmura odłamków - dodał.

Począwszy od 2015 roku, zespół kierowany przez Su zaczął prowadzić rutynowe obserwacje gwiazdy liczącej 10 milionów lat o nazwie HD 166191. Mniej więcej w tak wczesnym okresie życia gwiazdy, pył pozostały po jej uformowaniu zbił się w skaliste ciała zwane planetozymalami, czyli zalążki przyszłych planet. Gdy gaz, który wcześniej wypełniał przestrzeń między tymi obiektami, rozproszy się, często dochodzi między nimi do katastrofalnych w skutkach zderzeń.

Przewidując, że mogą dostrzec dowody jednego z takich zderzeń wokół HD 166191, zespół wykorzystał Spitzera do przeprowadzenia ponad 100 obserwacji układu w latach 2015-2019. Choć planetozymale są zbyt małe i odległe, by można je było dostrzec za pomocą teleskopu, ich zderzenia emitują duże ilości pyłu. Spitzer wykrył światło podczerwone - czyli fale o długości nieco większej niż to, co widzi ludzkie oko. Podczerwień jest idealna do wykrywania pyłu, w tym właśnie odłamków powstałych w wyniku zderzeń protoplanet.

W połowie 2018 roku teleskop zaobserwował, że układ HD 166191 stał się znacznie jaśniejszy, co sugeruje wzrost produkcji odłamków. W tym czasie Spitzer wykrył również chmurę odłamków blokującą gwiazdę. Łącząc obserwacje tranzytu przez Spitzera z obserwacjami wykonanymi z teleskopów na Ziemi, zespół był w stanie określić rozmiar i kształt chmury odłamków. Ich praca sugeruje, że obłok był bardzo wydłużony, o minimalnej szacowanej powierzchni trzykrotnie większej od powierzchni gwiazdy. Jednak ilość podczerwonego rozjaśnienia, jakie zaobserwował Spitzer, sugeruje, że tylko niewielka część obłoku przeszła przed gwiazdą, a szczątki z tego zdarzenia objęły obszar setki razy większy niż gwiazda.

Naukowcy twierdzą, że aby utworzył się tak duży obłok, obiekty w głównym zderzeniu musiały być wielkości planet karłowatych, jak Westa w naszym Układzie Słonecznym - obiekt o szerokości 530 kilometrów, znajdujący się w pasie planetoid pomiędzy Marsem a Jowiszem. Początkowe zderzenie wygenerowało wystarczająco dużo energii i ciepła, aby część materiału wyparowała. Zapoczątkowało ono również reakcję łańcuchową zderzeń fragmentów z pierwszego zderzenia z innymi małymi ciałami w układzie, które prawdopodobnie wytworzyły znaczną ilość pyłu, jaki widział Spitzer.

W ciągu następnych kilku miesięcy duży obłok pyłu zwiększył swoje rozmiary i stał się bardziej przezroczysty, co wskazuje na to, że pył i inne odłamki szybko rozpraszają się po tym młodym układzie gwiezdnym. W 2019 roku chmura, która przeszła przed gwiazdą, nie była już widoczna, ale system zawierał dwa razy więcej pyłu niż przed dostrzeżeniem chmury przez teleskop. Ta informacja, zdaniem autorów pracy, może pomóc w sprawdzeniu teorii na temat formowania się planet lądowych.