Ett unikt stadium av planetsystemets evolution har avbildats av astronomer, som visar snabbrörlig kolmonoxidgas som strömmar bort från ett stjärnsystem över 400 ljusår bort, en upptäckt som ger möjlighet att studera hur vårt eget solsystem utvecklades.

Astronomer har upptäckt snabbrörlig kolmonoxidgas som strömmar bort från en unge, lågmassstjärna:ett unikt stadium av planetsystemets evolution som kan ge insikter i hur vårt eget solsystem utvecklades och antyder att hur systemen utvecklas kan vara mer komplicerat än man tidigare trott.

Även om det fortfarande är oklart hur gasen sprutas ut så snabbt, teamet av forskare, ledd av University of Cambridge, tror att det kan vara framställt av isiga kometer som förångas i stjärnans asteroidbälte. Resultaten kommer att presenteras på den virtuella konferensen Five Years After HL Tau i december.

Detekteringen gjordes med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile, som en del av en undersökning av unga "klass III"-stjärnor, rapporterat i en tidigare tidning. Några av dessa klass III-stjärnor är omgivna av skräpskivor, som tros bildas av pågående kollisioner av kometer, asteroider och andra fasta föremål, känd som planetesimals, i de yttre delarna av nyligen bildade planetsystem. Det överblivna damm och skräp från dessa kollisioner absorberar ljus från deras centrala stjärnor och återutstrålar den energin som ett svagt sken som kan studeras med ALMA.

I planetsystemens inre regioner, Planetbildningsprocesserna förväntas resultera i förlust av allt hetaste stoft, och klass IIII-stjärnor är de som är kvar med — högst — svaga, kallt damm. Dessa svaga bälten av kallt damm liknar de kända skräpskivorna som ses runt andra stjärnor, liknande Kuiperbältet i vårt eget solsystem, som är känd för att vara värd för mycket större asteroider och kometer.

I undersökningen, stjärnan i fråga, 'INGEN Lup', som är cirka 70 % av vår sols massa, visade sig ha en svimning, dammig disk med låg massa, men det var den enda klass III-stjärnan där kolmonoxidgas upptäcktes, en första för den här typen av unga stjärnor med ALMA. Även om det är känt att många unga stjärnor fortfarande är värd för de gasrika planetbildande skivorna de föds med, NO Lup är mer utvecklad, och kunde ha förväntats ha förlorat denna urgas efter att dess planeter hade bildats.

Även om detektionen av kolmonoxidgas är sällsynt, det som gjorde observationen unik var gasens skala och hastighet, vilket föranledde en uppföljande studie för att utforska dess rörelse och ursprung.

"Bara att upptäcka kolmonoxidgas var spännande, eftersom inga andra unga stjärnor av denna typ tidigare hade avbildats av ALMA, " sa första författaren Joshua Lovell, en Ph.D. student från Cambridge's Institute of Astronomy. "Men när vi tittade närmare, vi hittade något ännu mer ovanligt:​​med tanke på hur långt borta gasen var från stjärnan, det gick mycket snabbare än väntat. Det här gjorde oss förbryllade ganska länge."

Grant Kennedy, Royal Society University Research Fellow vid University of Warwick, som ledde modellarbetet med studien, kom på en lösning på pusslet. "Vi hittade ett enkelt sätt att förklara det:genom att modellera en gasring, men ger gasen en extra kick utåt, ", sa han. "Andra modeller har använts för att förklara unga diskar med liknande mekanismer, men den här skivan är mer som en skräpskiva där vi inte har sett vindar tidigare. Vår modell visade att gasen är helt överensstämmande med ett scenario där den skjuts ut ur systemet i cirka 22 kilometer per sekund, vilket är mycket högre än någon stabil omloppshastighet."

Ytterligare analys visade också att gasen kan produceras vid kollisioner mellan asteroider, eller under perioder av sublimering – övergången från en fast till en gasformig fas – på ytan av stjärnans kometer, förväntas vara rik på kolmonoxidis.

Det har nyligen funnits bevis på samma process i vårt eget solsystem från NASA:s New Horizons-uppdrag, när den observerade Kuiperbältsobjektet Ultima Thule 2019 och fann sublimationsutveckling på kometens yta, som hände för cirka 4,5 miljarder år sedan. Samma händelse som förångade kometer i vårt eget solsystem för miljarder år sedan kan därför ha fångats för första gången över 400 ljusår bort, i en process som kan vara vanlig runt planetbildande stjärnor, och har konsekvenser för hur alla kometer, asteroider, och planeter utvecklas.

"Denna fascinerande stjärna kastar ljus över vilken typ av fysiska processer som formar planetsystem kort efter att de föds, precis efter att de har dykt upp från att vara omslutna av sin protoplanetära skiva, " sa medförfattaren professor Mark Wyatt, också från Astronomiinstitutet. "Medan vi har sett gas producerad av planetesimaler i äldre system, skjuvhastigheten med vilken gas produceras i detta system och dess utströmmande natur är ganska anmärkningsvärd, och peka på en fas av planetsystemets evolution som vi bevittnar här för första gången."

Även om pusslet inte är helt löst, och ytterligare detaljerad modellering kommer att krävas för att förstå hur gasen sprutas ut så snabbt, Det som är säkert är att detta system är inställt på att bli målet för mer intensiva uppföljningsmätningar.

"Vi hoppas att ALMA kommer att vara online igen nästa år, och vi kommer att göra fallet för att observera detta system igen i större detalj, ", sa Lovell. "Med tanke på hur mycket vi har lärt oss om detta tidiga skede av planetsystemets evolution med bara en kort 30-minuters observation, det finns fortfarande så mycket mer som det här systemet kan berätta för oss."