Stellar Outburst Brings Water Snow Line Into View

Artist’s impression of the water snowline around the young
star V883 Orionis, as detected with ALMA.
Credit: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Young stars are often surrounded by dense, rotating discs of gas and dust, known as protoplanetary discs, from which planets are born. The heat from a typical young solar-type star means that the water within a protoplanetary disc is gaseous up to distances of around 3 au from the star [1] — less than 3 times the average distance between the Earth and the Sun — or around 450 million kilometres [2]. Further out, due to the extremely low pressure, the water molecules transition directly from a gaseous state to form a patina of ice on dust grains and other particles. The region in the protoplanetary disc where water transitions between the gas and solid phases is known as the water snow line [3].

But the star V883 Orionis is unusual. A dramatic increase in its brightness has pushed the water snow line out to a distance of around 40 au (about 6 billion kilometres or roughly the size of the orbit of the dwarf planet Pluto in our Solar System). This huge increase, combined with the resolution of ALMA at long baselines [4], has allowed a team led by Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus and Universidad Diego Portales, Santiago, Chile) to make the first ever resolved observations of a water snow line in a protoplanetary disc.

The sudden brightening that V883 Orionis experienced is an example of what occurs when large amounts of material from the disc surrounding a young star fall onto its surface. V883 Orionis is only 30% more massive than the Sun, but thanks to the outburst it is experiencing, it is currently a staggering 400 times more luminous — and much hotter [5].

Planet-forming disc around the young star V883 Orionis obtained by ALMA
 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza

Lead author Lucas Cieza explains: “The ALMA observations came as a surprise to us. Our observations were designed to look for disc fragmentation leading to planet formation. We saw none of that; instead, we found what looks like a ring at 40 au. This illustrates well the transformational power of ALMA, which delivers exciting results even if they are not the ones we were looking for.”

The bizarre idea of snow orbiting in space is fundamental to planet formation. The presence of water ice regulates the efficiency of the coagulation of dust grains — the first step in planet formation. Within the snow line, where water is vapourised, smaller, rocky planets like our own are believed to form. Outside the water snow line, the presence of water ice allows the rapid formation of cosmic snowballs, which eventually go on to form massive gaseous planets such as Jupiter.

The discovery that these outbursts may blast the water snow line to about 10 times its typical radius is very significant for the development of good planetary formation models. Such outbursts are believed to be a stage in the evolution of most planetary systems, so this may be the first observation of a common occurrence. In that case, this observation from ALMA could contribute significantly to a better understanding of how planets throughout the Universe formed and evolved.

Source: ESO, ALAMA, A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

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Un estallido estelar nos permite ver la línea de nieve del agua

Las estrellas jóvenes a menudo están rodeadas por densos discos giratorios de gas y polvo, conocidos como discos protoplanetarios, de los cuales nacen los planetas. El calor de una típica estrella joven de tipo solar hace que el agua que hay dentro de los discos protoplanetarios esté en forma de gas hasta distancias de alrededor de 3 UA de la estrella [1] — menos de 3 veces la distancia media entre la Tierra y el Sol — o alrededor de 450 millones de kilómetros [2]. Además, debido a la presión extremadamente baja, las moléculas de agua pasan directamente del estado gaseoso a formar una pátina de hielo sobre granos de polvo y otras partículas. La región de los discos protoplanetarios en la que tienen lugar las transiciones entre la fase de gas y la sólida se conoce como la línea de nieve [3].

Chart showing the location of the young star
V883 Orionis in the famous constellation of Orion.
Credit: ESO/IAU and Sky & Telescope

Pero la estrella V883 Orionis es inusual. Un impactante aumento en su brillo ha empujado la línea de nieve del agua a una distancia de alrededor de 40 UA (unos 6.000 millones de kilómetros, o aproximadamente el tamaño de la órbita del planeta enano Plutón en nuestro Sistema Solar). Este enorme incremento, combinado con la resolución del ALMA en línea de base larga [4], ha permitido a un equipo dirigido por Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus y Universidad Diego Portales, Santiago, Chile) hacer las primeras observaciones en las que se logra resolver una línea de nieve del agua en un disco protoplanetario.

El súbito aumento de brillo experimentado por V883 Orionis es un ejemplo de lo que ocurre cuando grandes cantidades de material del disco que rodea una estrella joven caen sobre su superficie. V883 Orionis es sólo un 30% más masiva que el Sol pero, gracias a este estallido, actualmente es 400 veces más luminosa y mucho más caliente [5].

El autor principal, Lucas Cieza, explica: "Las observaciones de ALMA fueron una sorpresa para nosotros. Nuestras observaciones se diseñaron para obtener imágenes de la fragmentación del disco que lleva a la formación del planeta. No vimos nada de eso; en cambio, encontramos lo que parece un anillo a 40 UA. Esto ilustra bien el poder transformador de la ALMA, que brinda resultados interesantes aunque no sean los que estábamos buscando."

La extraña idea de nieve orbitando en el espacio es fundamental para la formación de planetas. La presencia de hielo de agua regula la eficacia de la coagulación de granos de polvo (el primer paso en la formación de planetas). Se cree que los planetas rocosos y pequeños, como el nuestro, se forman dentro de la línea de nieve, donde el agua se evapora. Fuera de la línea de nieve del agua, la presencia de hielo de agua permite la rápida formación de bolas de nieve cósmicas, que finalmente formarán enormes planetas gaseosos como Júpiter.

Descubrir que estos estallidos pueden empujar la línea de nieve del agua a cerca de diez veces su radio típico es muy importante para el desarrollo de buenos modelos de formación planetaria. Se cree que este tipo de explosiones son una etapa en la evolución de la mayoría de los sistemas planetarios, así que esta puede ser la primera observación de un evento común. En ese caso, esta observación de ALMA podría contribuir significativamente a una mejor comprensión de cómo se formaron y evolucionaron los planetas en todo el universo.

Fuentes: ESO, ALAMA, A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Illustration showing how the outburst of the young star V883 Orionis has displaced the water snowline much
further out from the star, and rendered it detectable with ALMA.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza