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.

A sorozat bevezető részében megvizsgáltuk, mi az asztrobiológia, melyek a fő kutatási területei és mi adja ezek aktualitását, illetve bemutattuk a "kurzus" tematikáját. Az első részben arról olvashattak, hogyan keletkeztek a periódusos rendszer elemei, miként jutottak ki a világűrbe, végül pedig ott hogyan álltak össze olyan bonyolult szerves molekulákká, amelyek később alapanyagként szolgáltak a földi vagy - esetleg máshol - a földihez hasonló élet keletkezéséhez.

Az így létrejött anyagok továbbfejlődéséhez olyan környezetek szükségesek, ahol a különböző molekulák koncentrálódnak, nincs túl magas hőmérséklet, ezért nem bomlanak le, emellett van energia a további kémiai reakciókhoz. Viszonylag sűrű közeg is szükséges, hogy minél gyakrabban találkozhassanak az anyagok egymással, lehetőséget adva a további kombinálódásra. Mindezekre együttesen a bolygók és a bolygórendszerekben lévő egyéb, a bolygókhoz hasonló objektumok (holdak, kisbolygók, üstökösmagok stb.) az ideálisak.

Az asztrobiológia kurzus második részében a bolygók keletkezésének elméleti hátterét és az eddig megfigyelt születő bolygórendszerek jellemzőit vizsgáljuk meg. Kitérünk az exobolygók általános paramétereire, típusaira, valamint azon háttérismeretekre, amelyek segítenek a Naprendszer égitesteinek kialakulását megérteni.

Bolygók mindenütt

Napjainkra egyértelművé vált, hogy a csillagok keletkezésével jellegzetesen együtt jár a bolygórendszerek kialakulása. Ennek első lépéseként a csillagközi felhők anyagának zsugorodni és sűrűsödni kell. A molekulafelhőkben lévő összehúzódó anyagcsomók közepén felhalmozódó tömeg alkotja a protocsillagot, a leendő csillag elődjét. Utóbbit egy korong formájában övezi az összehúzódó felhő anyagának azon a része, amely a zsugorodás során annyira felpörgött, hogy gyors keringése miatt nem tud a protocsillag felszínére hullani.

Ugyanakkor néhány megfigyelés arra utal, hogy finomítani kell a fenti képet, és nem biztos, hogy bolygók kizárólag csillagok keletkezésekor jöhetnek létre. A csillagoknál kisebb tömegű barna törpék (lásd később) a csillagoktól függetlenül, a csillagközi anyag összezsugorodásával is kialakulhatnak. Ezek körül is képződnek anyagkorongok, amelyekben további égitestek csomósodhatnak össze. Utóbbi esetben tehát nem csillag, hanem barna törpe körül születnek objektumok, a csillagoknál jellemzőhöz hasonló folyamat keretében. Itt kérdés, hogy ezeket bolygóknak nevezzük-e annak ellenére, hogy nem csillagok körül keletkeztek.

Még szélsőségesebb példa az Oph 16225-240515 jelű rendszer, amelyben egy 7 és egy 14 jupitertömegű objektum kering egymás körül kb. 240 CSE távolságban (1 CSE a Föld átlagos naptávolsága, 150 millió km). A modellek alapján a páros nem maradhatott volna együtt, ha egy csillag körüli helyzetből lökődik ki. Elképzelhető tehát, hogy csillagtól függetlenül keletkeztek - igaz, a megfigyelés további megerősítésre szorul. Itt ismét az objektumok elnevezése és besorolása jelent gondot.

A születő bolygók alapanyaga

A kialakuló csillagokat létrehozó ősi felhők általában valamilyen irányban lassú forgómozgást végeznek. A zsugorodás során gyorsul a forgás, hasonlóan ahhoz, amint a piruettező táncosnő pörgése is felgyorsul, amint karját behúzza. A felhő anyagának legnagyobb része a centrumban halmozódik fel, ebből alakul ki a protocsillag.

A protocsillag körüli, korábban említett anyagkorongot nevezzük protoplanetáris korongnak vagy proplidnak. Ezek átmérője nagyságrendileg 1000 CSE, általában kifelé vastagodnak, tömegük a megfigyelések alapján tizede-százada a Napénak, de fejlődésük elején elméletileg a Napnál akár 10-szer nehezebbek is lehetnek. Kis- és nagytömegű csillagok körül is kialakulhatnak - sőt a barna törpéknél is azonosítottak már ilyeneket. Érdekességként megemlíthető, hogy hasonló anyagkorongot fehér törpe körül is találtak - noha ennek a korongnak az előzőktől eltérő paraméterei lehetnek.

Olivinkristályok (rajz)

A protoplanetáris korongok anyagában lévő szilárd szemcsék összetalálkoznak és megfelelő körülmények esetén összetapadnak. A folyamatban fontos a korongban lévő gázanyag, amely az apró szemcsék pályáját igyekszik a körhöz közelivé alakítani, amitől csökken a szemcsék közti ütközési sebesség. Néhány megfigyelés alapján az elsőként összeállt bolygócsírák porózus szerkezetűek. Ez is az összetapadást segíti, mivel az ütközésekkor csak tömörödnek, és nem törnek szét az objektumok. A protoplanetáris korongban néhány millió év alatt jöhetnek létre a fokozatosan növekvő szemcsék: a bolygócsírák.

A korong anyagának összeállására és növekedésére utalnak a sok esetben azonosított olivinszemcsék. Nagyobb bolygócsírák, esetleg bolygók létét jelzik a korongokban tisztára söpört tartományok. A béta Pictorisnál a korong külső részével szöget bezáró belső tartományt egy ott található, a korong fősíkjával szöget bezáró pályájú exobolygó hozhatja létre. Szintén a korong anyagában mozgó planétákat jeleznek a helyenként mutatkozó enyhe anyagsűrűsödések.

A születő bolygórendszerek aktív környezetek, az összeállt planéták gyakran ütköznek egymással, friss poranyagot juttatva a korongba. A protocsillagnak alkalmanként megnő az energiakibocsátása, ekkor az átlagosnál sűrűbb és forróbb részecskefelhőt dobhat ki magából. Utóbbi az útjába eső szemcséket megolvaszthatja, amelyek aztán gyorsan apró cseppekké dermednek - elképzelhető, hogy így keletkeznek a kondritos meteoritokban található kondrumszemcsék. A korong távolabbi környezete is fontos, ha sok a közeli erősen sugárzó csillag; a korong sok anyagot veszíthet, és összetétele is változhat.

A közeli csillagok hatására erodálódó, csökkenő anyagú protoplanetáris korong fantáziarajza (balra) és hamisszínes felvétele (jobbra) (Bally, U. Colorado, Throop, SwRI, O'Dell, Vanderbilt U., NASA, STScI)

További változatosságot okoz a születő bolygórendszerek között, hogy az egyes korongok között jelentős eltérés lehet az összetételükben. A béta Pictoris 20 millió éves korongjában például kilencszer annyi szenet azonosítottat, mint oxigént. Az eltéréseket a kialakuló planéták is tükrözik majd. A szénben gazdag korongokból grafitban, gyémántban bővelkedő planéták születnek, míg magas oxigéntartalomnál a csillaghoz közel szilikátos anyagú bolygók keletkezhetnek. A korongokban zajló kémiai reakciókat kevéssé ismerjük, de néhány molekulát (pl. acetilént, ciánhidrogént) sikerült már azonosítani bennük.

Fantáziarajz a TW Hydrae körüli protoplanetáris korongban összeálló bolygócsírákról (Bill Saxton, NRAO, AUI, NSF)

A protoplanetáris korongok anyaga idővel bolygócsírákba, majd bolygókba tömörül, a fennmaradt gázt pedig a központi égitest csillagszele kifújja. Az óriásbolygók kialakulásával kapcsolatos kérdés, hogy miként áll össze gázanyaguk a viszonylag rövid periódus alatt, amely a korong születésétől a gázanyag kisöpréséig eltelik. A Jupiterhez hasonló óriásbolygók keletkezésére két modell létezik. Az egyikben a fentiekhez hasonlóan a szemcsék ütközése és hierarchikus növekedése vezet egy nagy bolygócsíra kialakulásához, amely már gravitációs terével sok gázt tud magához vonzani. A másik elgondolás szerint a protoplanetáris korongokban olyan instabilitások lépnek fel, amelyek nyomán annak egyes részei összeomlanak, és egy nagy, gázokban gazdag égitestté "zuhannak össze". A két modell közötti választáshoz egyelőre nincs elég adatunk. Az eddig azonosított legidősebb protoplanetáris korongot egy 25 millió éves csillag körül figyelték meg, de gyakoribbak az 5-10 millió éves korongok .

Barna törpék: átmenet a bolygók és csillagok között

A barna törpék 13-14 és 75-80 jupitertömeg közötti tömegű égitestek. A csillagokhoz hasonlóan keletkeznek: magányosan, vagy akár egy csillaggal együtt is létrejöhetnek. Életük elején néhány egyszerű fúziós reakció lezajlik a belsejükben (ebben különböznek a bolygóktól), ugyanakkor fejlődésük során nem indul be olyan stabil fúziós energiatermelés, amely a csillagokra jellemző.

A Nap, a TWA 5b jelű barna törpe és a Jupiter méretének összehasonlítása (NASA, CXC, Weiss)

Több barna törpe körül találtak már anyagkorongot, amelyekből idővel bolygó jellegű égitestek keletkezhetnek. (Egyes szakemberek ezeket nem tekintik bolygóknak, mivel nem csillagok körül születtek.) Az anyag továbbfejlődése szempontjából nem csak a barna törpék körüli égitestek érdekesek, de maguk a barna törpék is. Utóbbiakban a kezdeti meleg időszak után a molekulák stabilitását biztosító alacsony hőmérséklet állhat elő - azonban az esetleg itt zajló folyamatokról még alig vannak ismereteink.