Bijna een eeuw lang, astronomen hebben zich verbaasd over de merkwaardige variabiliteit van jonge sterren in het sterrenbeeld Stier-Auriga, zo'n 450 lichtjaar van de aarde verwijderd. Eén ster in het bijzonder heeft de aandacht van astronomen getrokken. Om de paar decennia, het licht van de ster is even vervaagd voordat het weer helderder wordt.

In recente jaren, astronomen hebben de ster vaker zien dimmen, en voor langere periodes, de vraag opwerpen:wat verduistert de ster herhaaldelijk? Het antwoord, astronomen geloven, zou licht kunnen werpen op enkele van de chaotische processen die vroeg in de ontwikkeling van een ster plaatsvinden.

Nu hebben natuurkundigen van MIT en elders de ster waargenomen, genaamd RW Aur A, met behulp van NASA's Chandra X-Ray Observatory. Ze hebben bewijs gevonden voor wat de meest recente verduisteringsgebeurtenis kan hebben veroorzaakt:een botsing van twee jonge planetaire lichamen, die in de nasleep een dichte wolk van gas en stof produceerde. Toen dit planetaire puin in de ster viel, het genereerde een dikke sluier, tijdelijk het licht van de ster verduistert.

"Computersimulaties hebben lang voorspeld dat planeten in een jonge ster kunnen vallen, maar dat hebben we nog nooit eerder opgemerkt, " zegt Hans Moritz Günther, een onderzoekswetenschapper in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, die de studie leidde. "Als onze interpretatie van de gegevens correct is, dit zou de eerste keer zijn dat we rechtstreeks een jonge ster waarnemen die een planeet of planeten verslindt."

De eerdere dimming-gebeurtenissen van de ster kunnen zijn veroorzaakt door soortgelijke smash-ups, van ofwel twee planetaire lichamen of grote overblijfselen van eerdere botsingen die frontaal elkaar ontmoetten en weer uiteenvielen.

"Het is speculatie, maar als je één botsing van twee stukken hebt, het is waarschijnlijk dat ze zich daarna in een of andere malafide banen bevinden, wat de kans vergroot dat ze weer iets anders zullen raken, ' zegt Günther.

Guenther is de hoofdauteur van een paper waarin de resultaten van de groep worden beschreven, die vandaag verschijnt in de Astronomisch tijdschrift . Zijn co-auteurs van MIT zijn onder meer David Huenemoerder en David Principe, samen met onderzoekers van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en medewerkers in Duitsland en België.

Een ster cover-up

Wetenschappers die de vroege ontwikkeling van sterren bestuderen, kijken vaak naar de Taurus-Auriga Donkere Wolken, een verzameling moleculaire wolken in de sterrenbeelden Stier en Auriga, die sterrenkraamkamers herbergen met duizenden jonge sterren. Jonge sterren worden gevormd door de zwaartekrachtinstorting van gas en stof in deze wolken. Zeer jonge sterren, in tegenstelling tot onze relatief volwassen zon, zijn nog steeds omgeven door een roterende schijf van puin, inclusief gas, stof, en klompjes materiaal variërend in grootte van kleine stofkorrels tot kiezelstenen, en mogelijk naar jonge planeten.

"Als je naar ons zonnestelsel kijkt, we hebben planeten en geen massieve schijf rond de zon, " zegt Guenther. "Deze schijven gaan misschien 5 miljoen tot 10 miljoen jaar mee, en in Stier, er zijn veel sterren die hun schijf al kwijt zijn, maar een paar hebben ze nog. Als je wilt weten wat er gebeurt in de eindfase van deze schijfverspreiding, Stier is een van de plekken om te kijken."

Guenther en zijn collega's richten zich op sterren die jong genoeg zijn om nog schijven te hosten. Hij was vooral geïnteresseerd in RW Aur A, die zich aan de oudere kant van de leeftijdscategorie voor jonge sterren bevindt, omdat het naar schatting enkele miljoenen jaren oud is. RW Aur A maakt deel uit van een binair systeem, wat betekent dat het een andere jonge ster omcirkelt, RW Aur B. Beide sterren hebben ongeveer dezelfde massa als de zon.

Sinds 1937, astronomen hebben om de paar decennia merkbare dalingen in de helderheid van RW Aur A geregistreerd. Elke dim-gebeurtenis leek ongeveer een maand te duren. In 2011, de ster verduisterde weer, dit keer voor ongeveer een half jaar. De ster werd uiteindelijk helderder, om medio 2014 weer te vervagen. In november 2016, de ster keerde terug naar zijn volledige helderheid.

Astronomen hebben voorgesteld dat dit dimmen wordt veroorzaakt door een passerende gasstroom aan de buitenrand van de schijf van de ster. Weer anderen hebben getheoretiseerd dat het dimmen te wijten is aan processen die dichter bij het centrum van de ster plaatsvinden.

"We wilden het materiaal bestuderen dat de ster bedekt, die vermoedelijk op de een of andere manier verband houdt met de schijf, "zegt Guenther. "Het is een zeldzame kans."

Een ijzersterke handtekening

In januari 2017, RW Aur A weer gedimd, en het team gebruikte NASA's Chandra X-Ray Observatory om röntgenstraling van de ster vast te leggen.

"De röntgenstralen komen van de ster, en het spectrum van de röntgenstralen verandert als de stralen door het gas in de schijf bewegen, "zegt Guenther. "We zoeken naar bepaalde handtekeningen in de röntgenstralen die het gas in het röntgenspectrum achterlaat."

In totaal, Chandra registreerde 50 kiloseconden, of bijna 14 uur aan röntgengegevens van de ster. Na analyse van deze gegevens, de onderzoekers kwamen met verschillende verrassende onthullingen:de schijf van de ster herbergt een grote hoeveelheid materiaal; de ster is veel heter dan verwacht; en de schijf bevat veel meer ijzer dan verwacht - niet zoveel ijzer als in de aarde wordt gevonden, maar meer dan, zeggen, een typische maan in ons zonnestelsel. (Onze eigen maan, echter, heeft veel meer ijzer dan de wetenschappers schatten in de schijf van de ster.)

Dit laatste punt was het meest intrigerende voor het team. Typisch, een röntgenspectrum van een ster kan verschillende elementen laten zien, zoals zuurstof, ijzer, silicium, en magnesium, en de hoeveelheid van elk aanwezig element hangt af van de temperatuur in de schijf van een ster.

"Hier, we zien veel meer ijzer, minstens een factor 10 keer meer dan voorheen, wat zeer ongebruikelijk is, omdat sterren die actief en heet zijn doorgaans minder ijzer bevatten dan andere, terwijl deze meer heeft, ' zegt Guenther. 'Waar komt al dat ijzer vandaan?'

De onderzoekers speculeren dat dit overtollige ijzer afkomstig kan zijn van een van de twee mogelijke bronnen. De eerste is een fenomeen dat bekend staat als een stofdrukval, waarin kleine korrels of deeltjes zoals ijzer vast kunnen komen te zitten in "dode zones" van een schijf. Als de structuur van de schijf plotseling verandert, zoals wanneer de partnerster van de ster dichtbij komt, de resulterende getijkrachten kunnen de gevangen deeltjes vrijgeven, waardoor een overmaat aan ijzer ontstaat die in de ster kan vallen.

De tweede theorie is voor Guenther de meest overtuigende. In dit scenario, overtollig ijzer ontstaat wanneer twee planetesimalen, of jonge planetaire lichamen, botsen, waarbij een dikke wolk van deeltjes vrijkomt. Als een of beide planeten gedeeltelijk van ijzer zijn gemaakt, hun ineenstorten zou een grote hoeveelheid ijzer in de schijf van de ster kunnen vrijgeven en het licht tijdelijk verduisteren als het materiaal in de ster valt.

"Er zijn veel processen die plaatsvinden bij jonge sterren, maar deze twee scenario's kunnen mogelijk iets maken dat lijkt op wat we hebben waargenomen, ' zegt Günther.

Hij hoopt in de toekomst meer waarnemingen van de ster te doen, om te zien of de hoeveelheid ijzer rond de ster is veranderd - een maatstaf die onderzoekers zou kunnen helpen bij het bepalen van de grootte van de ijzerbron. Bijvoorbeeld, als dezelfde hoeveelheid ijzer voorkomt in, zeggen, een jaar, dat kan erop wijzen dat het ijzer uit een relatief massieve bron komt, zoals een grote planetaire botsing, versus als er nog maar heel weinig ijzer in de schijf zit.

"Er wordt momenteel veel moeite gedaan om te leren over exoplaneten en hoe ze zich vormen, dus het is natuurlijk heel belangrijk om te zien hoe jonge planeten kunnen worden vernietigd in interactie met hun gastheersterren en andere jonge planeten, en welke factoren bepalen of ze overleven, ' zegt Günther.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.