Magyar felfedezés: kísérteties porhold bujkál a Föld közelében

A csillagos ég fantáziaképe a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja környékén lévő Kordylewski-porholddal, a Földdel, a Holddal és a Nappal

Egy képalkotó polariméterrel fölszerelt földi távcsővel ELTE-s kutatók most új, polarizációs bizonyítékot találtak a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja körüli porhold létezésére. A magyar kutatók a Monthly Notices of the Royal Society folyóiratban megjelent kétrészes cikkükben úgy vélik, hogy a porhold polarimetriai észlelése rehabilitálja Kordylewski méltatlanul elfeledett és sokak által megkérdőjelezett 1961-es úttörő fotometriai megfigyelését.

A közös tömegközéppontjuk körül keringő két nagy égitest gravitációs mezőjében Euler 1767-ben fedezett föl három (L1, L2, L3), Lagrange pedig 1772-ben további két olyan egyensúlyi pontot (L4, L5), amelyikbe egy harmadik kis testet helyezve, az a két égitesttel szinkronban együtt keringve nem változtatja meg relatív helyét. Csillagászok több ezer kis égitestet találtak a Nap-Jupiter, Nap-Mars, Nap-Neptunusz kettős rendszerek L4 és L5 Lagrange-féle egyensúlyi pontjaiban. Amióta 1961-ben Kazimierz Kordylewski lengyel csillagász két fényes foltot észlelt a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja környékén, azóta e képződményt Kordylewski-porholdnak hívják.

Sok csillagász azonban kétségbe vonta e porhold létét, mondván, hogy ha össze is gyűlne ott bolygóközi anyag, akkor a Nap, a napszél és a többi bolygó gravitációs hatása gyorsan kisöpörné onnan.

Egy képalkotó polariméterrel fölszerelt földi távcsővel ELTE-s kutatók – Slíz Judit, Barta András és Horváth Gábor – most új, polarizációs bizonyítékot találtak a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja körüli porhold létezésére. Miután a földi légkör zavaró hatásainak tulajdonítható minden lehetséges műterméket kizártak, a mért polarizációs mintázatok sajátságai egyedül az L5 pont körüli, bolygóközi részecskéken szóródó polarizált napfénynek voltak tulajdoníthatók. A Kordylewski-porhold most észlelt polarizációs jeleiből kiolvasható égi struktúra létét a Föld-Hold rendszer L5 pontja környékének számítógépes modellezésével kapott részecskeeloszlás hasonló szerkezete is alátámasztja.

Számos példa igazolja, hogy a csillagászati információk megszerzésében mennyire hasznos módszer a (képalkotó) polarimetria. A polárszűrőkkel fölszerelt távcsövekkel vizsgálható például a Föld légköre, a napkorona, a Naprendszer bolygóinak és holdjainak felszíne, a távoli csillagok, galaxisok és ködök. A csillagászokhoz az égi információ nagy része a fényen keresztül érkezik. E fény jöhet közvetlenül a Napból. A napfény polarizálatlan, de amint útja közben bolygóközi poron vagy a légkör részecskéin szóródik, lineárisan polárossá válik.

Mivel a hosszabb hullámhosszak kevésbé szóródnak, mint a rövidebbek, és a Kordylewski-porholdat az általa szórt napfény alapján észleljük, ezért fotometriai észlelése az infravörös tartományban nehezebb, mint a láthatóban.

Mindkét spektrális tartományban nagyon halvány a porhold fénye, és fotometriával csak kis fázisszög (amit a megfigyelő, a Nap és az L5 pont határoz meg) mellett észlelhető, vagyis közel "teleporhold" esetén. Azonban, ha a porhold fényének lineáris polarizációját mérjük, akkor annak p polarizációfoka 90o fázisszög esetén a legnagyobb.

A Hold és a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontjának elhelyezkedése a Hold pályasíkjában 2017. augusztus 19-én 01:14:15 csillagászati időben 87.3^o fázisszög mellett. A Föld és Hold kivételével a relatív távolságok és átmérők nem méretarányosak. A Nap irányát egy nyíl jelzi Forrás: ELTE

„Képalkotó polarimetriával közel 90°-os fázisszög mellett sikerült észlelnünk a Kordylewski-porhold polarizációs lenyomatát a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja körül. A poron szóródó napfény az elmélet szerint részlegesen lineárisan polárossá válik, a polarizációirány pedig merőleges a Nap, a földi megfigyelő és a porhalmaz középpontja által meghatározott síkra. E megjósolt polarizációirányt mértük az α polarizációfok mintázatán.

Ez az egyik legerősebb bizonyítéka annak, hogy az általunk mért poláros napfény nem a Föld légkörén, hanem távolabbi égitesten szóródott.

A porhold keletkezésének és szerkezetének, azaz részecskesűrűség-eloszlásának számítógépes modellezésével nyert eredményeink is megerősítik, hogy valóban a Kordylewski-porholdat észleltük" – magyarázta Horváth Gábor egyetemi tanár, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Biológiai Fizika Tanszék Környezetoptikai Laboratóriumának vezetője.

„Ahhoz, hogy a Kordylewski-porholdat detektáljuk, képalkotó polarimetriát alkalmaztunk: a három, elforgatott polárszűrővel a kiválasztott égterületről készített felvételekből előállítottuk az általam kifejlesztett Algonet® szoftverrel a polarizációs mintázatokat. Így kaptuk a vizsgált égterület fényességének, polarizációfokának és polarizációszögének mintázatát a spektrum vörös, zöld és kék tartományaiban" – mondta Barta András fizikus, a budapesti Estrato Kutató és Fejlesztő Rt. vezetője.

Képalkotó polarimetriai vizsgálataimat három, egymáshoz képest 120°-kal elforgatott lineáris polárszűrővel fölszerelt, hűtött CCD-kamerával végeztem 180 másodperces expozíciós idővel."

– mondta a méréseket és megfigyeléseket folytató Slíz Judit, az ELTE csillagásza.

(A) A Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja körül észlelt Kordylewski-porhold 2017. augusztus 17-én képalkotó polarimetriával a spektrum zöld (550 nm) tartományában mért p polarizációfok-mintázata. (B) A Föld-Hold rendszer L5 pontja körül észlelt Kordylewski-porhold α polarizációszög-mintázata. A fehér pálcikák a helyi polarizációirányt mutatják. A kép középpontján egymást metsző sárga és fehér vonal a szórási síkot és az arra merőleges irányt mutatja. (C) A Föld-Hold rendszer L5 pontja körül számítógépes szimulációval kapott Kordylewski-porhold sűrűségeloszlása Forrás: ELTE

A magyar tudósok a Nap-Föld-Hold-porrészecske térbeli gravitációs négytest-problémájának számítógépes modelljét is megalkották, amit 1 860 000 részecskére egyenként futtattak. Azt vizsgálták, hogy mely részecskék maradnak a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja közelében 3650 napig. A gravitációs erő mellett a Napból érkező sugárnyomás és a Poynting-Robertson-erő hatását is tanulmányozták, de e két utóbbi a gravitációhoz képest elhanyagolhatónak bizonyult.

A számítógépes szimuláció szerint az L5 pont körül mikrométerestől a sziklaméretűig is képesek részecskék hosszabb ideig ott maradni.

„A gravitációs négytest-probléma bizonyos eseteire vannak analitikus megoldások. Ilyenek voltak az ELTE kutatói, Érdi Bálint professzor emeritusz és Czirják Zalán doktorandusz egzakt megoldásai a négy égitest két speciális elhelyezkedésére. Azonban a háromdimenziós négytest-probléma (Nap, Föld, Hold, porrészecske) csak numerikusan oldható meg. Változó lépésközű Runge-Kutta-Fehlberg integrátort alkalmaztam. Azt vizsgáltam, van-e esély egyáltalán bármennyi anyagot is találni az L5 Lagrange-pont környékén.

Szimulációimmal azt találtam, hogy a részecskék mozgása kaotikus, a Föld-Hold rendszer L5 pontja pedig képes több éven át is jelentős mennyiségű anyagot megtartani. Ezen anyagfelhő alakja folyamatosan változik, pulzál és örvénylik"

– mondta Slíz Judit.

A csillagos ég fantáziaképe a Föld-Hold rendszer L5 Lagrange-pontja környékén lévő Kordylewski-porholddal, a Földdel, a Holddal és a Nappal Forrás: ELTE

Kozmikus megállóhely

A Föld-Hold rendszer L4 és L5 Lagrange-pontjai bolygóközi „porszívó" hatásának (stabilitásának) fontos szerepe lehet. Alkalmas például űrhajók, műholdak és űrtávcsövek minimális energiabefektetésű állomásoztatására. Jelenleg azonban nincs űreszköz a Naprendszerben sehol sem az L4 és L5 pontok körül.

Mindkét pont átszálló állomás lehet a Marsra vagy más bolygókra indított űrexpedíciók számára, valamint állomásai lehetnek az úgynevezett "bolygóközi szupersztrádának".

Az utóbbi olyan optimális pálya, amin minimális üzemanyag-felhasználással mozgathatók űreszközök a bolygók gravitációs lendítő erejét kihasználó hintamanőverek sorozatával. Az is lehetséges, hogy a Föld légköréből kivont fagyasztott széndioxidot a Föld-Hold stabil L4 és L5 Lagrange-pontjába lőjük, hogy megszabaduljunk az üvegházhatást okozó fölösleges széndioxidtól. Továbbá, a Kordylewski-porhold dinamikájának vizsgálata fontos az űrhajózás biztonsága szempontjából is, hogy elkerülhessük űreszközeinknek a porhold részecskéivel történő ütközéseit.

Forrás: ELTE