Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2007/12. 433.o.

BOLYGÓK MINDENÜTT

1995 óta egy új, izgalmas szakterület rohamosan fejlődik: a más csillagok körüli bolygók vizsgálata. A megfigyelési technika immár lehetővé teszi, hogy a tőlünk több tíz vagy száz fényévre lévő csillagok bolygóit, az extraszoláris vagy exobolygókat felfedezzük. Közvetlenül, direkt módon nagyon nehéz kimutatni a halvány bolygót a sok-sok nagyságrenddel fényesebb csillaga mellett. Az esetek döntő többségében a közvetett módszerek jártak sikerrel, amikor a bolygónak a csillagára gyakorolt gravitációs hatását lehetett megfigyelni. A két égitest ugyanis a közös tömegközéppont körül kering, s így a csillag színképében - a mozgása miatt, a Doppler-effektus következtében - periodikusan eltolódnak a színképvonalak. Ezekből kiszámítható a csillag látóirányú sebességének változása, abból pedig - a csillag becsült tömegét felhasználva - a sötét kísérő minimális tömege meghatározható (1. ábra). Ha ez a tömeg a bolygók tartományába esik (kisebb, mint 13 Jupiter-tömeg), akkor a csillag körüli objektum planéta. Ha ennél nagyobb, de 75 Jupiter-tömegnél kisebb, akkor valószínűleg „barna törpe”, a legnagyobb óriásbolygók és a legkisebb tömegű vörös törpe csillagok közé eső égitest.

1. ábra

Az eddig felfedezett mintegy 250 exobolygó többségét az előbb említett spektroszkópiai módszerrel találták. Sok olyan csillag van (25), amely körül 2, 3 sőt 4 bolygó kering. Erre abból következtetnek, hogy a csillag látóirányú sebessége csak több periodikus függvény összegével írható le, azaz több égitest „rángatja” a csillagot.

2. ábra

Egy másik sikeres módszer a bolygó kimutatására az, amikor a csillag fényességének kismértékű, többszöri (ciklikus) elhalványodását figyeljük meg amiatt, hogy a bolygója elhalad előtte, eltakar belőle (2. és 3. ábra). Persze ehhez az kell, hogy a bolygó csillag körüli keringési síkja közel essen a látóirányunkhoz. Ilyen fedés vagy „tranzit” esetén (eddig 24) a csillag becsült mérete és a bolygópálya adatainak ismeretében az exobolygó mérete is meghatározható (4. ábra). A tömeg és a sugár ismeretében a sűrűség kiszámolható és a bolygó belső felépítése is modellezhető (5. ábra). Sőt! A bolygó esetleges légkörére is információt kaphatunk. Amikor a bolygó elhalad a csillaga előtt, annak fénye áthalad a bolygó légkörén, és ez utóbbi színképe hozzáadódik a csillag színképéhez. Ezt összehasonlítva a csillag akkori színképével, amikor a bolygó nincs előtte, meghatározható a bolygólégkör spektruma, és a színképvonalak alapján annak kémiai összetétele. Ha jelentős mennyiségű oxigén van a légkörben, akkor valószínűsíthető fotoszintetizáló növényzet a felszínen. Ugyancsak erre utalhat, ha az infravörös tartományban nagy a bolygó fényvisszaverő képessége.

3. ábra

Az itt említett két felfedezési módszer mellett több más - kevésbé hatékony - eljárás is létezik, ezekről az irodalomban felsorolt forrásokban olvashatunk. A bolygó felszíni hőmérsékletét is megbecsülhetjük a csillag felszíni hőmérséklete és sugara, valamint a bolygópálya fél nagytengelye és a bolygó fényvisszaverő képessége, az albedó (a Jupiterre kb. 0,35) ismeretében. A HD 209458 jelű csillag bolygója mintegy 1100 fokos: egy felfújódott forró, ritka gázgömb! A Hubble-űrtávcsővel egy bolygóátvonulás során felvették a rendszer színképét. Megállapították, hogy a bolygó légköre a vártnál kevesebb nátriumot tartalmaz.

4. ábra

Az ismert exobolygók mind nagyobbak a Földnél, általában Jupiter típusúak lehetnek. A spektroszkópiai és fotometriai megfigyelések még nem elég érzékenyek ahhoz, hogy a Földhöz hasonló bolygókat fedezzünk fel (6. ábra). A következő néhány évben indítandó speciális űrtávcsövek azonban már ezt is lehetővé teszik. Igazán izgalmas eredmény lesz a Föld típusú bolygók megtalálása, hiszen az élet kialakulása, a civilizáció létrejötte az ilyen égitesteken valószínűbb. Számos elméleti vizsgálatot végeztek arra, hogy egy adott típusú csillag körül hol van az a lakható vagy lakhatósági zóna, ahol a bolygón a víz folyékony állapotban lehet. Ez a zóna egy vörös törpe körül a csillaghoz közel helyezkedik el és keskeny, a forróbb csillagok körül pedig távolabbi és szélesebb. Persze egy bolygón az élet kialakulásának esélyeit nemcsak a csillagtól való távolság határozza meg, hanem sok más körülmény is. Az éghajlatot befolyásolja a bolygó légkörének vastagsága, összetétele, fényvisszaverő képessége; a pálya lapultsága, a forgástengely helyzete stb. is. A csillagról érkező fény mellett hőforrás lehet a bolygó anyagában végbemenő radioaktív bomlás, vagy egy másik közeli égitest (például nagy hold) által okozott árapályfűtés.

5. ábra

Az infravörös tartományban érzékelő Spitzer-űrtávcsővel a közelmúltban acetilén- és ciánhidrogén-molekulák nyomaira bukkantak egy fiatal csillag körüli anyagkorongban, a Föld típusú bolygók keletkezési zónájában. Vizes környezetben ezekből kémiai reakciók során a fehérjék és a DNS alapvető építőkövei jöhetnek létre!

A csillagászok alaposan meglepődtek azon, hogy az exobolygók nagy része „forró Jupiter” típusú, nagyon közel kering a csillagához, néhány napos keringési idővel. A legtöbb rendszer nem olyan felépítésű, mint Naprendszerünk. Újra kell gondolni a kialakulási elméleteket. A számítógépes szimulációk arra utalnak, hogy az óriásbolygók a csillaguktól távolabb jönnek létre, de az anyagkorongban keringve fékeződnek, és fokozatosan beljebb kerülnek (migráció). Vajon mi lesz a sorsuk? Stabilizálódik a pályájuk, vagy belezuhannak a csillagba? Van-e mód, hogy magát a becsapódást vagy következményét (például a csillag forgásában bekövetkező változást) kimutassuk?

6. ábra

Az exobolygók kutatásában szép magyar sikerek is születtek. Bakos Gáspár és munkatársai (Harvard- Smithsonian Center for Astrophysics) - az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézetével együttműködve - kisméretű, automatizált távcsövekkel (HATNet: Hungarian Automated Telescope Network) készítenek képeket az ég nagy részéről, exobolygófedések miatti fényváltozásokat keresve. Eddig 4 csillagnál fedeztek fel planétát, ezzel ők az egyik legsikeresebb bolygóvadász csoport. Ráadásul felfedezéseik mindegyike különösen érdekes valamilyen szempontból. A HATNet első bolygója az eddig talált egyik legkisebb sűrűségű fedési exobolygó. A kutatócsoport második felfedezése, a HAT-P-2b a leglapultabb ellipszispályán keringő, egyben a legnagyobb fedési planéta az eddig találtak közül. A TrES (Trans-atlantic Exoplanet Survey) projekttel közösen vizsgált TrES-3 elnevezésű planéta pedig mindössze 31 órás keringési periódussal járja körbe csillagát, azaz egy éva bolygón alig hosszabb egy földi napnál. A HAT-P-3b különlegessége, hogy fémekben meglehetősen gazdag. A közel 0,6 Jupiter-tömegű óriás sugara 0,9-szerese a Jupiter sugarának, így a forró Jupiterek között a tömegéhez képest viszonylag kis méretű. Ez alapján úgy gondolják, hogy a bolygó harmadát nehéz elemek alkotják.

Naprendszerünkben a Jupiternek és a Szaturnusznak több mint 60 ismert holdja van, közülük a legnagyobbak Merkúr méretűek. Az óriási exobolygók körül akár Föld méretű holdak is keringhetnek. A holdak kimutatása azonban nagyon nehéz, eddig még egyet sem sikerült felfedezni. A Szegedi Tudományegyetemen csillagász oktatók és hallgatók egy csoportja vizsgálatokat kezdett arra vonatkozóan, hogy egy exobolygó esetleges holdját milyen hatásai alapján lehetne kimutatni. Az egyik legesélyesebb módszer a fedések elemzése lenne. Egy eléggé nagy hold ugyanis modulációkat, hullámokat okozhat a bolygó átvonulása során a fényességcsökkenés görbéjén. Egy másik lehetőség azon alapul, hogy a bolygó és holdja közös tömegközéppont körül kering, és ennek a kettős rendszernek a tömegközéppontja mozog Kepler-pályán a csillag körül. A bolygó fedéseinek az időpontja tehát kis mértékben ingadozik, hiszen attól is függ, hogy a bolygó és a hold az adott időben éppen hogyan helyezkedik el egymáshoz képest. Ha pedig egy exobolygó sugárzása közvetlenül is kimutatható, akkor a holdja által okozott esetleges fedések közvetlenül is mérhetők lennének. Az itt felsorolt kicsiny hatások kimutatásához persze a csillag-bolygó-hold hármas rendszernek hosszabb időn át stabilnak kell lennie. Erre, valamint az exobolygórendszerek dinamikájára vonatkozó számításokat az ELTE Csillagászati Tanszékének égi mechanikával foglalkozó munkatársai is végeznek.

Nézzük meg, hogy a fizika mely területeit érinti ez a témakör. A megfigyelések, felfedezési módszerek az optikához tartoznak, de a hullámtan és az atomfizika is előkerül a színképelemzés kapcsán. A bolygópályáknál a Kepler-törvényeket, a lakható zóna helyének megállapításánál, a bolygók hőmérsékletének becslésénél, és légkörük, esetleges felszíni tengerek jellemzésénél hőtani ismereteket használunk. A bolygókon uralkodó körülmények meghatározásához a tömegből és a sugárból a felszíni gravitációs gyorsulást és a szökési sebességet számolhatjuk ki. Feltéve, hogy a bolygó forog, az ebből származó centrifugális és Coriolis-erő nagyságára tehetünk becsléseket. Ha van légkör és mágneses tér is, akkor a csillagról érkező töltött részecskék sarki fényt is okozhatnak. A holdak árapályhatását is érdemes végiggondolni. Ha van a rendszerben törmelékgyűrű vagy kisbolygóövezet, a bolygóra való becsapódások gyakoriságára is tehetünk becslést. Mindezekhez kell egy kis földtudomány és kémia is. Ami pedig az exobolygókon lehetséges élet kialakulását és formáit illeti, az már (exo)- biológia. Az exobolygók izgalmas témaköre kiváló lehetőséget ad a természettudományos komplex szemlélet fejlesztésére. Remélhetőleg az alábbi cikkek és honlapok segítenek a tájékozódásban.

Szatmáry Károly
Szegedi Tudományegyetem,
Kísérleti Fizikai Tanszék

Irodalom és lapok az interneten

  1. Szatmáry K.: Exobolygók. Magyar Tudomány 2006. augusztus, 968. o. http://www.matud.iif.hu/06aug/08.html
  2. Kereszturi Á., Simon T.: Asztrobiológia. Meteor csillagászati évkönyv 2005, 190. o.
  3. A Szegedi Csillagvizsgáló lapjai http://astro.u-szeged.hu/ismeret/exo/extrasol.html
  4. A Magyar Csillagászati Egyesület hírportálja: http://hirek.csillagaszat.hu/exobolygok.html
  5. Extrasolar Planets Encyclopaedia: http://exoplanet.eu