Bolygók a Naprendszeren kívül - asztrobiológia kurzus, II. rész

Kétéves online tudományos ismeretterjesztő tanfolyamot indított az [origo] tudomány rovata, amely a Földön kívüli élet utáni kutatás iránt érdeklődő, de szakirányú végzettséggel nem rendelkező olvasókat vezeti be az alapokba és a legújabb eredményekbe. A sorozat második részében a bolygók születésének folyamatát és a Naprendszeren kívüli bolygókat ismerhetik meg.

Az exobolygók több szempont szerint is osztályozhatók, az alábbiakban ezekből mutatunk be néhányat.

Az exobolygókat első közelítésben első és második generációs planétákra osztják. Az első generációs planéták a csillag keletkezése során megjelenő protoplanetáris korongból állnak össze, míg a második generációs exobolygók a csillag halála után keletkeznek, például a szupernóva-robbanás törmelékéből. A további felosztások általában a pályák helyzetéből indulnak ki.

A korábban már említett forró Jupiterek (avagy pegasidák) csoportját olyan óriásbolygók alkotják, amelyek csillagukhoz nagyon közel, többnyire körhöz közeli pályán mozognak, keringési idejük 88 napnál rövidebb. Ide tartozik a ma ismert exobolygók körülbelül 50%-a. Míg a Naprendszerben a Jupiter átlagos naptávolsága 5 CSE, a forró Jupitereknél ez kb. ennek százada. Némely esetben igen alacsony a sűrűségük, amit talán a közeli csillag erős sugárzásától felforrósodó és kitáguló külső rétegek okoznak.

Fantáziarajz egy forró jupiter típusú exobolygóról (ESO)

Pályájuk helyzete alapján elkülönítik a szintén 88 napnál rövidebb, de elnyúlt pályán mozgó exobolygókat (pl. HD 114762). A 88 napnál hosszabb keringési idejűeket is kettéosztják aszerint, hogy pályájuk excentricitása (elnyúltsága) 0,25 alatti, tehát körhöz közeli (Naprendszer-típus), vagy feletti (pl. 70 Vir b).

A pulzárok exobolygói a szupernóvaként felrobbant csillagok halála után a kidobott anyagból keletkezhetnek. Ezekben az anyagkorongban feltehetőleg kevesebb a hidrogéngáz, mint a klasszikus bolygókeletkezésnél, ez talán a kialakuló exobolygók illóanyag-tartalmát is befolyásolja. A pulzár energiakibocsátása is eltér egy születő csillagétól, ezért mások a korong hőmérsékleti viszonyai, és mivel az összetétel is különbözhet, másfajta ásványok is kiválhatnak benne. Utóbbi nemcsak az exobolygók összetételét, hanem az ásvány-kondenzálódás, ezen keresztül pedig a legbelső planéta helyzetét is befolyásolja.

Fantáziarajz egy pulzár körüli exobolygókról (NASA, JPL, Caltech, R. Hurt, SSC)

Talán korai külön csoportként kiemelni, de érdemes kitérni az ultrarövid periódusú exobolygókra. Első képviselőjük a SWEEPS-10 b jelű objektum, amely 1,2 millió km távolságban 10 óra 11 perc alatt járja körül törpecsillagát. Valamivel több mint egy tucat hasonló égitestet ismerünk ma. A jelek alapján a kistömegű vörös törpecsillagok körül gyakoribbak, nagyobb tömegű csillagok körül anyaguk talán gyorsan elpárolgott.

Az elmúlt évek kutatásai nyomán merült fel a "forró Földek" lehetősége. A megnevezés kicsit félrevezető, mivel egyelőre nem a Földhöz hasonló égitestekről van itt szó. A Jupiternél kisebb tömegű és a csillagához közel, a Merkúr átlagos naptávolságánál is beljebb keringő exobolygókat sorolják ide. Az eddig ide sorolt égitestek inkább csak közelítik ennek a csoportnak az elméleti határát. Itt említhetők a 6-14 földtömegű legbelső planéták a mü Arae, az 55 Cancri vagy a Gliese 876 körül.

Helyzetük alapján külön csoportot alkotnak a gazdátlan exobolygók vagy "egykori" exobolygók, amelyek bár csillagok körül keletkeztek, onnan feltehetőleg partnereikkel kialakult gravitációs kölcsönhatások miatt kilökődtek.

A fentieken túl érdemes megemlíteni az exobolygókhoz hasonló további objektumok elméleti lehetőségét. Asztrobiológiai szempontból például érdekesek lehetnek a csillagukhoz közel jutott óriásbolygók holdjai. Elképzelhetők "exobolygókká vált" holdak is, amelyek gravitációs kölcsönhatások révén letértek egy planéta körüli pályájukról. A barna törpék körüli exobolygók alkotta rendszerek is érdekesek, ezek egy óriásbolygó holdrendszerére is emlékeztetnek. Mivel a barna törpék csak életük elején sugároznak erősen, majd fokozatosan halványodnak, egy ilyen rendszer központi napja hamar kialszik.

Két exobolygó-rendszer vázlatos összehasonlítása. Az égitestek csillaghoz viszonyított méretét megnövelték a jobb láthatóság céljából. Lent a Napunkhoz hasonló 55 Cancri és három exobolygójának helyzete, fent a Cha 110913-773444 jelű barna törpe és a körülötte születő exobolygók várható pályái láthatók. Utóbbi égitestnél még csak protoplanetáris korong van, ennek méretéből becsülték meg a leendő bolygópályák helyzetét (NASA, JPL, Caltech)

A Földhöz hasonló exobolygók

Mivel az életre egyelőre csak egyetlen példát ismerünk, kiemelt terület a Földhöz hasonló exobolygók keresése. Ha az exobolygók tömegét, méretét és sűrűségét egyszerre tekintjük, akkor elmondható, hogy Földünkhöz hasonló planétát eddig még nem találtak. Ennek okai a felhasznált módszerek korlátai lehetnek: a számítások alapján ma még nem sikerülne kimutatni egy átlagos Föld-típusú bolygót - de a gyorsan fejlődő műszerek teljesítménye egy évtized múlva várhatóan már ezt is lehetővé teszi.

A Föld-típusú exobolygók számát, előfordulási valószínűségét csökkenhetik a forró Jupiterek. Itt ugyanis az óriásbolygó befelé vándorlása során (lásd cikkünk korábbi részében) a Földhöz eredetileg hasonló helyzetű planéták kilökődhettek. Ugyanakkor, mivel a vándorló óriásbolygók az anyagkiszórást a csillaghoz közel is folytatják, az innen kipenderített törmelék egy része a kilökött Föld-típusú bolygók helyére juthat, ahol új planéták keletkezhetnek belőle.

Magyar vonatkozások

Az exobolygókkal kapcsolatban hazai vonatkozásként kiemelendő a Dr. Bakos Gáspár által koordinált Hungarian Automated Telescopes Network (HATNet) hálózat. A magyar ötlet alapján készült távirányítású robotteleszkóp-rendszerrel eddig két exobolygót fedeztek fel. A HAT műszereit Magyarországon tervezte és építette Sári Pál, Papp István és Lázár József (Magyar Csillagászati Egyesület) Bakos Gaspár (a fejlesztés idején MTA KTM CSKI) vezetésével. A programban a kulcsszerepet játszó Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ mellett kiemelkedik Dr. Kovács Géza (MTA KTM CSKI) munkája, aki a tranzitkereső szoftverek fejlesztésén dolgozik.

Részben az exobolygókkal kapcsolatos munkát végez még hazánkban a Magyar Asztroszeizmológiai Csoport, amelynek eredményeit nemrég a V 391 Peg b jelű exobolygó felfedezéséhez használták fel, továbbá a Szegedi Tudományegyetem és a Szegedi Csillagvizsgáló néhány munkatársa az exobolygókkal és holdjaikkal kapcsolatos modellezés területén.

Feladat

Sorozatunk minden részéhez egy gondolkodtató feladatot mellékelünk, amelynek megoldását a követező részben közöljük.

Az új feladvány

Mekkorának látnánk egy a Nappal megegyező méretű csillag átmérőjét egy olyan exobolygó felszínéről, amely fele akkora távolságban kering csillagától, mint a Merkúr a Naptól?

Az előző feladat megoldása

Az elmúlt alkalommal az alábbi kérdést tettük fel: Mekkora tömege lehet egy hidrogénmolekulákból álló, 100 molekula/cm³ sűrűségű felhőben egy akkora gömb alakú térrésznek, amelynek átmérője megegyezik a Naprendszerben a nagybolygók által kitöltött térrész, azaz a Neptunusz pályájának átmérőjével?

Megoldás: mivel célunk a szemléltetés, számításaink során használjunk csak nagyságrendi pontosságot: 1 mol (6x10²³ darab) H₂ molekula tömege kb. 2 g. Ez a molekulamennyiség a felhőnek nagyságrendileg 10²¹ cm³-es térfogatában található (ami egyébként egy 1000 km élhosszúságú kocka térfogatának felel meg). A Neptunusz átlagos naptávolságával, azaz 4,5x10⁹ km-el megegyező sugarú gömb térfogata nagyságrendileg 10³⁹ cm³. Ebben tehát közelítőleg 10¹⁸ g hidrogéngáz található. Ha csak a gáz tömeget tekintjük, ez a mennyiség sokkal kevesebb 10²⁷ g tömegű bolygónknál, sőt még a Föld légkörét is alig tenné ki. Ezért kellenek gigászi méretű felhők a csillagok és a bolygók kialakulásához.