美国宇航局发现由天体碰撞产生的巨大碎片云

这张插图描绘了两个小行星大小的大型天体之间碰撞的结果。 美国宇航局的斯皮策看到一片碎片云阻挡了恒星 HD 166191,为科学家提供了有关发生撞击的详细信息。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

岩石天体之间的重大碰撞塑造了我们的太阳系。 对类似碰撞的观察提供了有关这些事件在其他恒星周围发生的频率的线索。

我们太阳系中的大多数岩石行星和卫星,包括地球和月球,都是由太阳系历史早期的大规模碰撞形成或塑造的。 通过粉碎在一起,岩石物体可以积累更多的物质,增加尺寸,或者它们可以分裂成多个更小的物体。

使用美国宇航局现已退役的斯皮策太空望远镜的天文学家过去曾在岩石行星形成的年轻恒星周围发现这类碰撞的证据。 但这些观察并没有提供有关粉碎的许多细节,例如所涉及物体的大小。

在《天体物理学杂志》的一项新研究中,由亚利桑那大学的 Kate Su 领导的一组天文学家报告了对其中一次碰撞产生的碎片云的首次观察,当时它经过恒星前方并短暂阻挡了光线。 天文学家称之为凌日。 再加上对恒星大小和亮度的了解,这些观测使研究人员能够在撞击后不久直接确定云的大小,估计碰撞物体的大小,并观察云分散的速度。

亚利桑那大学的乔治·里克 (George Rieke) 是这项新研究的合著者,他说:“没有什么可以替代事件的目击者。” “斯皮策之前报道的所有案件都没有得到解决,只有关于实际事件和碎片云可能是什么样子的理论假设。”

从 2015 年开始,由 Su 领导的一个团队开始对一颗名为 HD 166191 的 1000 万年前的恒星进行例行观测。大约在恒星生命的早期,它形成时留下的尘埃聚集在一起,形成称为星子的岩石体– 未来行星的种子。 一旦之前填充这些物体之间空间的气体散去,它们之间的灾难性碰撞就会变得很常见。

预计他们可能会在 HD 166191 周围看到其中一次碰撞的证据,该团队在 2015 年至 2019 年期间使用斯皮策对该系统进行了 100 多次观测。虽然这些小行星太小而且距离太远,无法用望远镜分辨,但它们的撞击产生了大量的灰尘。 斯皮策探测到红外光——或比人眼能看到的波长略长的波长。 红外线是探测尘埃的理想选择,包括原行星碰撞产生的碎片。

2018 年年中,太空望远镜看到 HD 166191 系统变得明显更亮,这表明碎片的产生增加了。 在那段时间里,斯皮策还探测到了阻挡恒星的碎片云。 将斯皮策对凌日的观测与地面望远镜的观测相结合,该团队可以推断出碎片云的大小和形状。

他们的工作表明,云被高度拉长,最小估计面积是恒星的三倍。 然而,斯皮策看到的红外增亮量表明只有一小部分云经过了恒星前面,而这次事件的碎片覆盖了比恒星大数百倍的区域。

为了产生这么大的云,主要碰撞中的物体必须是矮行星的大小,比如我们太阳系中的灶神星——一个 330 英里(530 公里)宽的物体,位于火星和木星之间的主要小行星带。 最初的碰撞产生了足够的能量和热量来蒸发一些材料。 它还引发了第一次碰撞产生的碎片与系统中其他小物体之间的连锁反应,这可能产生了大量斯皮策看到的灰尘。

在接下来的几个月里,巨大的尘埃云变得越来越大,变得更加透明,这表明尘埃和其他碎片正在迅速分散在整个年轻的恒星系统中。 到 2019 年,经过恒星前面的云不再可见,但该系统包含的尘埃是斯皮策发现云之前的两倍。 据该论文的作者称,这些信息可以帮助科学家检验关于类地行星怎样形成和生长的理论。

“通过观察年轻恒星周围的尘埃碎片盘,我们基本上可以回顾过去,看看可能塑造我们自己的太阳系的过程,”苏说。 “了解这些系统中碰撞的结果,我们还可以更好地了解岩石行星围绕其他恒星形成的频率。”