Een visualisatie van het enorme, gloeiende planetenlichaam dat ontstaat bij een planeetbotsing. Mark Garlick, Verstrekte auteur
Het nagloeien van een enorme botsing tussen twee reuzenplaneten is mogelijk voor het eerst waargenomen. De brokstukken van de botsing kunnen uiteindelijk afkoelen en een geheel nieuwe planeet vormen. Als de waarneming wordt bevestigd, biedt dit een geweldige kans om de geboorte van een nieuwe wereld in realtime te bekijken en een venster te openen op hoe planeten worden gevormd.
In december 2021 zagen astronomen hoe een verder onopvallende zonachtige ster begon te flikkeren. Een paar maanden lang bleef het zichtbare licht (het licht dat we met onze ogen kunnen zien) van deze ster veranderen. Soms verdween hij bijna, voordat hij terugkeerde naar zijn vorige helderheid.
De ster, die ruwweg 1800 lichtjaar van de aarde staat, kreeg de identificatie ASASSN-21qj, naar het sterrenkundig onderzoek ASASN-SN dat het dimmen van de ster voor het eerst waarnam.
Het is niet ongewoon om sterren op deze manier te zien dimmen. Het wordt meestal toegeschreven aan materiaal dat tussen de ster en de aarde passeert. ASASSN-21qj was misschien toegevoegd aan een groeiende lijst van soortgelijke waarnemingen als amateur-astronoom Arttu Sainio er niet was geweest. Sainio wees er op sociale media op dat zo’n tweeënhalf jaar voordat het licht van de ster zag vervagen, de emissie van infrarood licht vanaf zijn locatie met ongeveer 4% toenam.
Infrarood licht wordt het sterkst uitgezonden door objecten met een relatief hoge temperatuur van een paar honderd graden Celsius. Dit riep de vraag op: hielden deze twee waarnemingen verband met elkaar en zo ja, wat was er dan in hemelsnaam aan de hand rond ASASSN-21qj?
Planetair cataclysme
We publiceren onze bevindingen in Nature en stellen voor dat beide waarnemingen verklaard kunnen worden door een cataclysmische botsing tussen twee planeten. Reuzenbotsingen, zoals zulke botsingen bekend staan, komen waarschijnlijk vaak voor in de laatste fasen van de vorming van planeten. Ze bepalen de uiteindelijke grootte, samenstelling en thermische toestand van planeten en vormen de banen van objecten in die planetenstelsels.
In ons zonnestelsel zouden gigantische inslagen verantwoordelijk zijn voor de vreemde kanteling van Uranus, de hoge dichtheid van Mercurius en het bestaan van de aardse maan. Tot nu toe hadden we echter weinig direct bewijs van gigantische inslagen in het melkwegstelsel.
De WISE-telescoop van Nasa heeft een toename in het infrarode licht van de ster waargenomen.
NASA/JPL-Caltech
Om de waarnemingen te kunnen verklaren, zou er bij een botsing in de eerste uren na de botsing meer energie moeten vrijkomen dan er bij de ster vrijkomt. Materiaal van de botsende lichamen zou oververhit zijn geraakt en zijn gesmolten, verdampt of beide.
De botsing zou een hete, gloeiende massa materiaal hebben gevormd die honderden keren groter was dan de oorspronkelijke planeten. De infrarode helderheid van ASASSN-21qj werd waargenomen door Nasa’s WISE ruimtetelescoop. WISE kijkt maar ongeveer elke 300 dagen naar de ster en heeft waarschijnlijk de eerste lichtflits van de inslag gemist.
Het uitgebreide planetaire lichaam dat door de inslag is ontstaan, heeft echter een lange tijd nodig, misschien wel miljoenen jaren, om af te koelen en te krimpen tot iets dat we zouden kunnen herkennen als een nieuwe planeet. In het begin, toen dit “post-impact lichaam” zijn grootste omvang had, kon het licht dat het uitstraalde nog steeds tot enkele procenten van de uitstoot van de ster bedragen. Zo’n lichaam kan de infrarode helderheid hebben geproduceerd die we zagen.
De inslag zou ook grote puinpluimen in verschillende banen rond de ster hebben uitgestoten. Een deel van dit puin zou verdampt zijn door de schok van de inslag en later gecondenseerd zijn tot wolken van kleine ijs- en bergkristallen. Na verloop van tijd kwam een deel van deze klonterige materiaalwolk tussen ASASSN-21qj en de aarde terecht, waardoor een fractie van het zichtbare licht van de ster werd geblokkeerd en het onregelmatige dimmen werd veroorzaakt.
De planeten kunnen vergelijkbaar zijn geweest met Neptunus in het zonnestelsel.
NASA/JPL
Als onze interpretatie van de gebeurtenissen juist is, kan het bestuderen van dit sterrensysteem ons helpen om een belangrijk mechanisme van planeetvorming te begrijpen. Zelfs van de beperkte reeks waarnemingen die we tot nu toe hebben, hebben we al een aantal zeer interessante dingen geleerd.
Ten eerste, om de hoeveelheid energie uit te zenden die is waargenomen, moet het lichaam na de inslag vele honderden keren zo groot zijn geweest als de aarde. Om zo’n groot lichaam te creëren, moeten de planeten die botsten elk een paar keer de massa van de Aarde hebben gehad – mogelijk zo groot als de “ijsreuzen” Uranus en Neptunus.
Ten tweede schatten we de temperatuur van het lichaam na de inslag op ongeveer 700°C. Om de temperatuur zo laag te laten zijn, kunnen de botsende lichamen niet volledig uit rots en metaal hebben bestaan.
IJsreuzen
De buitenste regionen van tenminste één van de planeten moeten elementen hebben bevat met lage kooktemperaturen, zoals in water. We denken daarom dat we een botsing hebben gezien tussen twee Neptunus-achtige werelden die rijk zijn aan ijs.
De vertraging die werd gezien tussen de emissie van infrarood licht en de waarneming van brokstukken die de ster kruisten, suggereert dat de botsing vrij ver van de ster plaatsvond – verder weg dan de aarde van de zon verwijderd is. Zo’n systeem, waarin zich ver van de ster ijsreuzen bevinden, lijkt meer op ons zonnestelsel dan op veel van de dicht opeengepakte planetenstelsels die astronomen vaak rond andere sterren waarnemen.
Het meest opwindende aspect hiervan is dat we nog vele tientallen jaren kunnen blijven kijken hoe het systeem zich ontwikkelt en onze conclusies kunnen testen. Toekomstige waarnemingen, met telescopen zoals Nasa’s JWST, zullen de grootte en samenstelling van de deeltjes in de puinwolk bepalen, de chemie van de bovenste lagen van het lichaam na de inslag identificeren en bijhouden hoe deze hete puinmassa afkoelt. Misschien zien we zelfs nieuwe manen ontstaan.
Deze waarnemingen kunnen onze theorieën informeren en ons helpen te begrijpen hoe gigantische inslagen planetenstelsels vormen. Tot nu toe zijn de enige voorbeelden de echo’s van inslagen in ons eigen zonnestelsel. Nu kunnen we de geboorte van een nieuwe planeet in realtime bekijken.
Simon Lock ontvangt financiering van de Britse Natural Environment Research Council (subsidie NE/V014129/1).
Zoe Leinhardt ontvangt financiering van de UK Science and Technology Facilities Council (subsidie nummer ST/V000454/1).
Matthew Kenworthy werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
