Beweise für einen riesigen Einschlag in einem nahegelegenen Sternensystem, der die Atmosphäre von einem Planeten entfernt

Solche planetarischen Smashups sind in jungen Sonnensystemen wahrscheinlich üblich, wurden jedoch nicht direkt beobachtet.

Junge Planetensysteme erleben im Allgemeinen extreme Wachstumsschmerzen, da Säuglingskörper kollidieren und zu immer größeren Planeten verschmelzen. In unserem eigenen Sonnensystem gelten Erde und Mond als Produkte dieser Art von Rieseneinschlag. Astronomen vermuten, dass solche Zusammenstöße in frühen Systemen alltäglich sein sollten, aber in der Nähe anderer Sterne waren sie schwierig zu beobachten.

Jetzt Astronomen bei MIT, die National University of Ireland Galway, die Cambridge University und anderswo haben Beweise für einen riesigen Einschlag entdeckt, der in einem nahegelegenen Sternensystem, nur 95 Lichtjahre von der Erde entfernt, stattfand. Der Stern mit dem Namen HD 172555 ist etwa 23 Millionen Jahre alt, und Wissenschaftler vermuten, dass sein Staub Spuren einer kürzlichen Kollision trägt.

Das MIT-geführte Team hat weitere Hinweise auf einen riesigen Einschlag um den Stern beobachtet. Sie stellten fest, dass die Kollision wahrscheinlich vor mindestens 200.000 Jahren zwischen einem etwa erdgroßen terrestrischen Planeten und einem kleineren Impaktor mit Geschwindigkeiten von 10 Kilometern pro Sekunde oder mehr als 22.000 Meilen pro Stunde stattfand.

Entscheidend ist, dass sie Gas entdeckten, was darauf hindeutete, dass ein derart schneller Einschlag wahrscheinlich einen Teil der Atmosphäre des größeren Planeten weggeblasen hat – ein dramatisches Ereignis, das das beobachtete Gas und den Staub um den Stern erklären würde. Die Ergebnisse, erschienen heute in Natur, stellen die erste Detektion dieser Art dar.

„Dies ist das erste Mal, dass wir dieses Phänomen einer gestrippten protoplanetaren Atmosphäre bei einem riesigen Einschlag entdeckt haben“, sagt Hauptautorin Tajana Schneiderman, eine Doktorandin am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences des MIT. „Jeder ist daran interessiert, einen riesigen Einschlag 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.“

Ein klares Signal

Der Stern HD 172555 ist wegen der ungewöhnlichen Zusammensetzung seines Staubes ein Objekt der Intrigen unter Astronomen. Beobachtungen in den letzten Jahren haben gezeigt, dass der Staub des Sterns große Mengen ungewöhnlicher Mineralien enthält, in Körnern, die viel feiner sind, als Astronomen für eine typische stellare Trümmerscheibe erwarten würden.

„Aufgrund dieser beiden Faktoren wurde HD 172555 für dieses seltsame System gehalten“, sagt Schneiderman.

Sie und ihre Kollegen fragten sich, was das Gas über die Wirkungsgeschichte des Systems verraten könnte. Sie haben sich die Daten angesehen, die von aufgenommen wurden ALMA, das Atacama Large Millimeter Array in Chile, das aus 66 Radioteleskopen besteht, deren Abstände angepasst werden können, um die Auflösung ihrer Bilder zu erhöhen oder zu verringern. Das Team durchsuchte Daten aus dem öffentlichen ALMA-Archiv und suchte nach Anzeichen von Kohlenmonoxid in der Nähe von Sternen.

„Wenn Menschen Gas in Trümmerscheiben untersuchen möchten, ist Kohlenmonoxid normalerweise am hellsten und daher am einfachsten zu finden“, sagt Schneiderman. „Also haben wir uns die Kohlenmonoxid-Daten für HD 172555 noch einmal angesehen, weil es ein interessantes System war.“

In der Folge

Mit einer sorgfältigen Neuanalyse konnte das Team Kohlenmonoxid um den Stern herum nachweisen. Als sie seine Häufigkeit maßen, stellten sie fest, dass das Gas 20 Prozent des Kohlenmonoxids ausmachte, das in gefunden wurde Venus‘ Atmosphäre. Sie beobachteten auch, dass das Gas in großen Mengen überraschend nahe am Stern kreiste, bei etwa 10 astronomischen Einheiten oder der 10-fachen Entfernung zwischen Erde und Sonne.

„Das Vorhandensein von Kohlenmonoxid in dieser Nähe erfordert eine Erklärung“, sagt Schneiderman.

Das liegt daran, dass Kohlenmonoxid normalerweise anfällig für Photodissoziation ist, einen Prozess, bei dem die Photonen eines Sterns zusammenbrechen und das Molekül zerstören. Im Nahbereich würde es in der Nähe eines Sterns normalerweise sehr wenig Kohlenmonoxid geben. Daher testete die Gruppe verschiedene Szenarien, um das reichlich vorhandene, nahe Erscheinungsbild des Gases zu erklären.

Sie schlossen schnell ein Szenario aus, in dem das Gas aus den Trümmern eines neu gebildeten Sterns entstand, sowie eines, in dem das Gas von einem nahen Gürtel aus eisigen Asteroiden produziert wurde. Sie betrachteten auch ein Szenario, in dem das Gas von vielen eisigen Kometen ausgestoßen wurde, die von einem weit entfernten Asteroidengürtel, ähnlich unserem eigenen Kuipergürtel, eindrangen. Aber auch in dieses Szenario passten die Daten nicht ganz. Das letzte Szenario, das das Team in Betracht zog, war, dass das Gas ein Überbleibsel eines riesigen Einschlags war.

„Von allen Szenarien ist es das einzige, das alle Merkmale der Daten erklären kann“, sagt Schneiderman. „In Systemen dieses Alters erwarten wir riesige Einschläge, und wir erwarten, dass riesige Einschläge wirklich ziemlich häufig sind. Die Zeitskalen funktionieren, das Alter funktioniert und die morphologischen und kompositorischen Einschränkungen funktionieren. Der einzige plausible Prozess, der in diesem Zusammenhang Kohlenmonoxid in diesem System erzeugen könnte, ist eine riesige Auswirkung.“

Das Team schätzt, dass das Gas bei einem riesigen Einschlag freigesetzt wurde, der vor mindestens 200.000 Jahren stattfand – so kurz zuvor, dass der Stern keine Zeit gehabt hätte, das Gas vollständig zu zerstören. Basierend auf der Fülle des Gases war der Einschlag wahrscheinlich massiv und umfasste zwei Protoplaneten, die wahrscheinlich in der Größe mit der Erde vergleichbar sind. Der Einschlag war so groß, dass er wahrscheinlich einen Teil der Atmosphäre eines Planeten in Form des Gases, das das Team heute beobachtet hat, weggeblasen hat.

„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.“

„Das Besondere an dieser Arbeit ist meiner Meinung nach, dass sie die Bedeutung des atmosphärischen Verlustes durch riesige Einschläge demonstriert“, sagt Hilke Schlichting, Professorin für Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften an der University of California in Los Angeles, die war an der Untersuchung nicht beteiligt. „Es eröffnet auch die Möglichkeit, die Zusammensetzung der Atmosphären von extrasolaren Planeten zu untersuchen, die riesigen Einschlägen ausgesetzt sind, was letztendlich dazu beitragen kann, den atmosphärischen Zustand der terrestrischen Planeten während ihrer eigenen riesigen Einschlagsphase zu beleuchten.“

Referenz: „Kohlenmonoxidgas produziert von einem riesigen Einschlag in der inneren Region eines jungen Systems“ von Tajana Schneiderman, Luca Matrà, Alan P. Jackson, Grant M. Kennedy, Quentin Kral, Sebastián Marino, Karin I. Öberg, Kate YL Su, David J. Wilner und Mark C. Wyatt, 20. Oktober 2021, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-021-03872-x

Diese Forschung wurde teilweise vom ALMA-Observatorium und der Simons Foundation unterstützt.