Røntgendata kan være det første bevis på, at en stjerne fortærer en planet

I næsten et århundrede, astronomer har undret sig over den mærkelige variation af unge stjerner, der bor i Taurus-Auriga-stjernebilledet omkring 450 lysår fra Jorden. Især én stjerne har trukket astronomernes opmærksomhed. Hvert par årtier, stjernens lys er falmet kort, før det lysner op igen.

I de seneste år, astronomer har observeret stjernen dæmpe oftere, og i længere perioder, rejser spørgsmålet:Hvad er det gentagne gange, der skjuler stjernen? Svaret, astronomer tror, kunne kaste lys over nogle af de kaotiske processer, der finder sted tidligt i en stjernes udvikling.

Nu har fysikere fra MIT og andre steder observeret stjernen, kaldet RW Aur A, ved hjælp af NASAs Chandra X-Ray Observatory. De har fundet beviser for, hvad der kan have forårsaget dens seneste dæmpningsbegivenhed:en kollision af to spædbarns planetariske kroppe, som i dens eftervirkninger producerede en tæt sky af gas og støv. Da dette planetariske affald faldt ind i stjernen, det frembragte et tykt slør, midlertidigt at skjule stjernens lys.

"Computersimuleringer har længe forudsagt, at planeter kan falde ind i en ung stjerne, men det har vi aldrig før observeret, siger Hans Moritz Günther, en forsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, der ledede undersøgelsen. "Hvis vores fortolkning af dataene er korrekt, det ville være første gang, vi direkte observerer en ung stjerne, der fortærer en planet eller planeter."

Stjernens tidligere dæmpningsbegivenheder kan være forårsaget af lignende smash-ups, af enten to planetlegemer eller store rester af tidligere kollisioner, der mødte frontalt og brød fra hinanden igen.

"Det er spekulationer, men hvis du har en kollision af to stykker, det er sandsynligt, at de bagefter kan være på nogle useriøse baner, hvilket øger sandsynligheden for, at de rammer noget andet igen, " siger Guenther.

Guenther er hovedforfatter på et papir, der beskriver gruppens resultater, som optræder i dag i Astronomisk Tidsskrift . Hans medforfattere fra MIT inkluderer David Huenemoerder og David Principe, sammen med forskere fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og samarbejdspartnere i Tyskland og Belgien.

En stjernedækning

Forskere, der studerer den tidlige udvikling af stjerner, ser ofte på Taurus-Auriga mørke skyer, en samling af molekylære skyer i stjernebillederne Taurus og Auriga, som er vært for stjerneskoler, der indeholder tusindvis af spædbarnsstjerner. Unge stjerner dannes fra tyngdekraftens kollaps af gas og støv i disse skyer. Meget unge stjerner, i modsætning til vores forholdsvis modne sol, er stadig omgivet af en roterende skive af affald, herunder gas, støv, og klumper af materiale varierende i størrelse fra små støvkorn til småsten, og muligvis til spæde planeter.

"Hvis du ser på vores solsystem, vi har planeter og ikke en massiv skive omkring solen, " siger Guenther. "Disse diske holder i måske 5 millioner til 10 millioner år, og i Tyren, der er mange stjerner, der allerede har mistet deres disk, men nogle få har dem stadig. Hvis du vil vide, hvad der sker i slutstadierne af denne diskspredning, Tyren er et af de steder, man skal kigge."

Guenther og hans kolleger fokuserer på stjerner, der er unge nok til stadig at være vært for diske. Han var især interesseret i RW Aur A, som er i den ældre ende af aldersgruppen for unge stjerner, da den anslås at være flere millioner år gammel. RW Aur A er en del af et binært system, hvilket betyder, at den kredser om en anden ung stjerne, RW Aur B. Begge disse stjerner har omtrent samme masse som solen.

Siden 1937, astronomer har registreret mærkbare fald i lysstyrken af ​​RW Aur A hvert par årtier. Hver dæmpningsbegivenhed så ud til at vare i omkring en måned. I 2011 stjernen dæmpede igen, denne gang i omkring et halvt år. Stjernen lysnede til sidst, for kun at falme igen i midten af ​​2014. I november 2016 stjernen vendte tilbage til sin fulde lysstyrke.

Astronomer har foreslået, at denne dæmpning er forårsaget af en passerende strøm af gas ved den yderste kant af stjernens skive. Atter andre har teoretiseret, at dæmpningen skyldes processer, der sker tættere på stjernens centrum.

"Vi ønskede at studere det materiale, der dækker stjernen op, som formentlig er relateret til disken på en eller anden måde, " siger Guenther. "Det er en sjælden mulighed."

En jernbeklædt signatur

I januar 2017 RW Aur A dæmpet igen, og holdet brugte NASAs Chandra X-Ray Observatory til at optage røntgenstråling fra stjernen.

"Røntgenstrålerne kommer fra stjernen, og røntgenstrålernes spektrum ændrer sig, når strålerne bevæger sig gennem gassen i disken, " siger Guenther. "Vi leder efter visse signaturer i røntgenstrålerne, som gassen efterlader i røntgenspektret."

I alt, Chandra registrerede 50 kilosekunder, eller næsten 14 timers røntgendata fra stjernen. Efter at have analyseret disse data, forskerne kom med adskillige overraskende afsløringer:Stjernens skive huser en stor mængde materiale; stjernen er meget varmere end forventet; og skiven indeholder meget mere jern end forventet - ikke så meget jern, som der findes i Jorden, men mere end, sige, en typisk måne i vores solsystem. (Vor egen måne, imidlertid, har langt mere jern, end forskerne vurderede i stjernens skive.)

Dette sidste punkt var det mest spændende for holdet. Typisk, et røntgenspektrum af en stjerne kan vise forskellige elementer, såsom ilt, jern, silicium, og magnesium, og mængden af ​​hvert element til stede afhænger af temperaturen inden for en stjernes skive.

"Her, vi ser meget mere jern, mindst en faktor 10 gange mere end før, hvilket er meget usædvanligt, fordi stjerner, der er aktive og varme, typisk har mindre jern end andre, hvorimod denne har mere, " siger Guenther. "Hvor kommer alt dette jern fra?"

Forskerne spekulerer i, at dette overskydende jern kan være kommet fra en af ​​to mulige kilder. Det første er et fænomen kendt som en støvtrykfælde, hvor små korn eller partikler såsom jern kan blive fanget i "døde zoner" af en skive. Hvis diskens struktur ændres pludseligt, som når stjernens partnerstjerne går tæt på, de resulterende tidevandskræfter kan frigive de fangede partikler, skabe et overskud af jern, der kan falde ned i stjernen.

Den anden teori er for Guenther den mere overbevisende. I dette scenarie, overskydende jern dannes, når to planetesimaler, eller spædbarns planetariske legemer, kollidere, frigiver en tyk sky af partikler. Hvis en eller begge planeter er lavet delvist af jern, deres smash-up kunne frigive en stor mængde jern i stjernens skive og midlertidigt skjule dens lys, når materialet falder ned i stjernen.

"Der er mange processer, der sker i unge stjerner, men disse to scenarier kunne muligvis lave noget, der ligner det, vi observerede, " siger Guenther.

Han håber at kunne lave flere observationer af stjernen i fremtiden, for at se, om mængden af ​​jern, der omgiver stjernen, har ændret sig - et mål, der kan hjælpe forskere med at bestemme størrelsen af ​​jernets kilde. For eksempel, hvis den samme mængde jern forekommer i, sige, et år, der kan signalere, at jernet kommer fra en relativt massiv kilde, såsom en stor planetarisk kollision, versus hvis der er meget lidt jern tilbage i disken.

"En stor indsats går i øjeblikket på at lære om exoplaneter og hvordan de dannes, så det er naturligvis meget vigtigt at se, hvordan unge planeter kan blive ødelagt i samspil med deres værtsstjerner og andre unge planeter, og hvilke faktorer bestemmer, om de overlever, " siger Guenther.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.