1. ábra: A HET mérései a HD 37605 jelű csillag látóirányú sebességváltozásáról.
A csillagászati kutatások továbbra is egyik legérdekesebb és különösen gyorsan fejlődő területe a Naprendszeren kívüli, más csillagok körül keringő bolygók (extraszoláris- vagy exobolygók) vizsgálata. Bár az utóbbi évben lelassult az újonnan felfedezett bolygók számának növekedése, de új megfigyelési programokat, módszereket vezettek be, és az elméleti (bolygófizikai, égi mechanikai) vonatkozású tanulmányok is jelentősen szaporodtak.
A témakör előzményeiről és az új eredményekről a http://astro.u-szeged.hu/ismeret/exo/extrasol.html honlapon bővebben olvashatunk.
2004 júliusában 123 exobolygó szerepel a listán, melyek 108 csillag körül keringenek, 13 csillagnak több bolygója is van (a katalógust a http://www.obspm.fr/encycl/catalog.html honlapon láthatjuk).
A texasi HET első exobolygója
A McDonald Obszervatórium csillagászai a Hobby-Eberly Teleszkóp (HET) nagy pontosságú mérései révén találtak rá egy új exobolygóra. A HET, illetve a távcsőre szerelt nagyérzékenységű spektrográf a jövőben nagy szerepet játszhat az idegen világok utáni kutatásban. A kutatók a csillag radiális (látóirányú) sebességében fellépő ingadozások mérésével megállapították, hogy a HD 37605 egy csillag-bolygó rendszer tömegközéppontja körül kering. A legalább 2,84 Jupiter-tömegű bolygó 54,23 nap alatt kerüli meg a csillagot. A HD 37605 Napunknál valamivel kisebb és hidegebb, K0 színképtípusú csillag, mely a mi csillagunkhoz hasonlóan nehéz elemekben gazdag. 43 pc távolságra van, és V=8,69 magnitúdó a fényessége. Az újonnan felfedezett planéta nagyon elnyújtott (e=0,74) pályán kering, vagyis a bolygó pályája egy részén - az ún. "forró Jupiterekhez" hasonlóan - rendkívül közel kerül a csillagához, míg máskor eléggé eltávolodik tőle. A bolygópálya félnagytengelye 0,26 CSE (nagyjából 40 millió km).
754 közeli, a Naphoz hasonló csillag színképének vizsgálatából kiderült, hogy a nagyobb fémtartalom (héliumnál nehezebb elemek aránylag nagyobb gyakorisága) nagyobb valószínűséget jelent a csillag körüli bolygó létezésére. Ezek szerint főleg az olyan sárga törpe csillagok mellett érdemes bolygót keresni, amelyek nehéz elemekben gazdagok, így a kialakulásukkor a körülöttük lévő anyagkorongban bolygótestek keletkezhettek. A becslések szerint a csillagok csak 5 %-ának van bolygója, de a fémgazdag csillagok közül már minden ötödiknél várható planéta kísérő kialakulása.
2. ábra: A Naphoz viszonyított fémtartalom
és a bolygók előfordulása sárga törpe csillagoknál
Nem minden bolygó, ami annak látszik!
Az OGLE megfigyelései keretében több tucat csillagnál találtak olyan kismértékű elhalványodást, amelyek bolygóra utalhatnak. Csak két esetben, az OGLE-TR-113 és az OGLE-TR-132 objektumnál bizonyosodott be, hogy a jelenséget exobolygó általi fedés okozza. Az utóbbinál a sugár (1,13 Jupiter-sugár) mellett a tömeget is (1,19 Jupiter-tömeg) sikerült meghatározni. Az OGLE-TR-33 esetében a spektroszkópiai mérések kiderítették, hogy nem bolygóról van szó, hanem egy hármas csillagrendszerről.
Az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézete munkatársai vezetésével a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetem, valamint a Szegedi Tudományegyetem csillagász szakos hallgatói egy csillag mérésének során olyan fényességcsökkenéseket talált, amelyek alapján egy eddig ismeretlen bolygóra következtethettek. A csillag az Ikrek csillagképben, tőlünk kb. 650 fényév távolságban van. A pontosabb megfigyelések szerint azonban nem bolygó, hanem egy társcsillag okozza a fedési jelenséget (ez az ún. blend).
Körülbelül 60 olyan rendszert ismernek a csillagászok, ahol ilyen átvonulásra utaló jelek vannak (ún. tranzit-rendszerek), de ezek közül eddig mindössze négy esetben sikerült exobolygó jelenlétét kétségtelenül bebizonyítani.
A Whipple Obszervatóriumban elindított PISCES (Planets in Stellar Clusters Extensive Search) megfigyelési programban nyílt csillaghalmazok nagy pontosságú fotometriáját végzik. Bár exobolygó-átvonulást még nem találtak, de több mint 100 kis amplitudójú változócsillagot fedeztek fel.
Amennyiben a Föld körül keringő Hubble-űrtávcső megfigyeléseit sikerül megerősíteni, közel duplájára emelkedik az ismert Naprendszeren kívüli bolygók száma. A Hubble a Tejútrendszer magja körüli tartományt vizsgálta, ahol nagyon sűrűn vannak a csillagok. Sok ezer csillag fényének nyomon követése során 100 olyan csillagot találtak, amelyek időszakos elhalványulást mutatnak.
A Naprendszerhez hasonló bolygórendszer a Vega csillag körül
Angol csillagászok véleménye szerint a fényes Vega csillag körül olyan bolygórendszer helyezkedhet el, amely az eddig felfedezett rendszerek közül a legjobban hasonlít a Naprendszerre. Korábbi megfigyelések során kiderült, hogy a Vegát egy halvány porkorong övezi. Az új számítógépes modellek szerint a porkorong szerkezete úgy magyarázható a legjobban, ha feltételezzük, hogy a Vega körül egy a Neptunuszhoz hasonló tömegű bolygó kering, kb. két Nap-Neptunusz távolságban. Ez a széles pálya bőségesen elegendő teret hagy ahhoz, hogy a Vegához közelebbi tartományokban földszerű bolygók lehessenek, akárcsak a Naprendszerben.
Az új eredmények a világ legérzékenyebb szubmilliméteres kamerájának (SCUBA) felvételein alapulnak. A James Clerk Maxwell teleszkópon (Hawaii-szigetek) üzemeltetett műszer képein egy igen hideg (kb. -180 Celsius-fokos) porsáv érzékelhető a Vega körül. A porsávban lévő szabálytalanságok, csomósodások egyértelműen bolygó vagy bolygók jelenlétére, illetve azok gravitációs hatására utalnak. A modell szerint egy a Neptunuszhoz hasonló égitest a csillaghoz közel alakult ki, és folyamatosan, néhány tízmillió év alatt vándorolt mai helyére.
Kialakulóban lévő Jupiter-típusú bolygó egy fiatal csillag körül
Az Arizonai Egyetem csillagászai első alkalommal vizsgálták meg egy közeli, fiatal csillag porgyűrűjét egy új módszerrel. Nemcsak azt igazolták, hogy a csillag rendelkezik protoplanetáris koronggal – az anyag, melyből a naprendszerek kialakulnak -, hanem egy rést is sikerült felfedezniük a gyűrűben, meggyőző bizonyítékot találva ezzel egy éppen kialakulóban lévő bolygó létére. A HD100546 jelű objektumot közepes infravörös (hősugárzási) tartományban vizsgálva már korábban kimutatták, hogy a csillag protoplanetáris koronggal rendelkezik. A nullinterferometria során úgy egyesítik a csillagról érkező fénysugarakat, hogy azok pont kioltsák egymást; így a képeken a csillag helyén csak a sötét háttér látszik. Mivel a HD 100546 még elég fiatal csillag, a porgyűrűje nagyjából ugyanolyan fényes, mint az égitest maga. A nullinterferometriás eljárás során el kell különíteni egymástól a csillagról érkező fénysugarakat, melyeket ki kell iktatni, és a kiterjedt porkorong fényét, melyet látni szeretnénk. A rés létrejöttének legvalószínűbb magyarázata, hogy az egy gigantikus (talán a Jupiternél is jóval nagyobb tömegű) protobolygó gravitációs ereje által keletkezett. A kutatók szerint a bolygókezdemény nagyjából 10 csillagászati egység távolságban kering a csillag körül.
A Hawaii Egyetem csillagásza a 33 fényévre lévő, csupán 12 millió évesnek becsült AU Microscopii csillag körül porkorongot talált a Keck teleszkóp infravörös felvételein. A korong aszimmetrikus eloszlást mutat a csillagtól 25 és 40 csillagászati egység távolságban, amit egy, a korongban kialakult és ott elnyúlt pályán keringő bolygó gravitációs hatásának tulajdonítanak.
4. ábra: Az AU Mic csillag körüli porkorong infravörös felvételen
(alul a Neptunusz pálya mérete, összehasonlításul)
Föld-típusú bolygók
Vajon az ismert bolygórendszerek közül mennyiben találhatnánk lakható, Föld-szerű bolygókat? Talán a felében - állítja az Open University egyik kutatócsoportja. Az ismert bolygórendszerek számítógépes modellezése révén a csoport ki tudta számítani a Föld-szerű bolygók jelenlétének valószínűségét az ún. lakható zónában - vagyis a központi csillagtól olyan távolságban, ahol jelenlegi tudásunk szerint esély van az élet kialakulására. Ez az a zóna, ahol a hőmérséklet se nem túl magas, se nem túl alacsony ahhoz, hogy az égitestek felszínén folyékony víz lehessen jelen.
A kutatók az "új Földeket" (vagyis a 0,1 és 10 földtömeg közé eső planétákat) különböző pályákra helyezték, majd modellezték a fejlődés várható menetét - és igencsak változatos eredmények születtek. Néhány rendszerben a közelben lévő egy, esetleg több Jupiter-méretű bolygó gravitációs hatására a "Föld" egyszerűen kilökődött a lakható zónából. Más esetekben azonban a lakható zóna egy részében, vagy akár a teljes térrészben stabil keringés valósult meg. Kilenc rendszert vizsgáltak meg részletesen ezzel a technikával, s így le tudták vonni azokat az alapvető következtetéseket, melyek révén a további kilencven rendszer lakhatósága is meghatározható.
Az analízis során kiderült, hogy a ma ismert rendszerek kb. felében lehet jelenleg olyan Földünkhöz hasonló planéta, amely a lakható zóna szűkebb tartományában kering, s már legalább 1 milliárd éve kialakult. Mai álláspontunk szerint minimum ennyi időre van szükség az élet kialakulásához és elterjedéséhez egy bolygó felszínén.
Lakható holdak
Az óriásbolygók körül keringő, Föld-méretű holdakon is jelen lehet az élet. Az eddig felfedezett exobolygók mindegyike hasonló tömegű, mint Naprendszerünk legnagyobb bolygója, a Jupiter. A Jupiter körül négy bolygóméretű hold is kering - így az óriási exoplanéták is rendelkezhetnek hasonlóan kiterjedt holdrendszerrel, és ezen holdak tömege ill. mérete elérheti akár a Földét is.
Mai tudásunk szerint a gázóriásokon nem alakulhat ki élet. Ha azonban a nagyméretű bolygó a lakható zónában kering, akkor egy esetlegesen létező, Föld-méretű holdján lehet rá esély.
Azon lakható zónában keringő óriásbolygók meghatározására, melyek rendelkezhetnek az élet számára kedvező adottságú holddal, a számítógépes modellel olyan rendszereket kerestek, ahol a Föld-méretű bolygók stabilan keringhetnek, és már legalább 1 milliárd évesek (tehát elvileg már kialakulhatott rajtuk az élet).
Kisbolygók, üstökösök
A tau Ceti az egyik legközelebbi, Naphoz hasonló csillag, 12 fényévre van tőlünk. Angol csillagászok szubmilliméteres hullámhosszon készült mérései alapján a csillag körül tízszer annyi kisbolygó és üstökös kering, mint Napunk körül. Ha van ott bolygó, akkor sokkal többször történhet rajta becsapódás, mint Földünkön, így az evolúció, az élet szempontjából nem kellemes hely.
Gravitációs mikrolencse jelenség
Egy nemzetközi kutatócsoport 2004. májustól egy világméretű távcsőhálózat segítségével folytatja majd az exobolygók keresését. Reményeik szerint közvetlen bizonyítékokat találnak majd arra, hogy Napunkon kívül más csillagok körül is keringenek Föld-méretű bolygók. A projekt neve PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork - vagyis a lencsejelenségekben fellépő anomáliákat vizsgáló hálózat).
Úgy tűnik, jelenleg egyetlen módszerrel van esély Földünkhöz hasonló planéták detektálására: ez az ún. "gravitációs mikrolencsék" vizsgálata. A mikrolencse-jelenség során egy csillag rövid ideig jóval fényesebbé válik, mint amilyen valójában. A hirtelen felfényesedést egy másik csillagászati objektum okozza, ami elhalad a csillag és a földi megfigyelő között; az átvonuló égitest gravitációs mezeje ugyanis egy lencséhez hasonlóan változtatja meg a fénysugarak útját. Ha az átvonuló objektum egy másik csillag, akkor az a fénygörbében egy jellegzetes, nagyjából egy hónapos jelet produkál. Ha a csillag körül bolygó kering, akkor annak hatására a felfényesedési görbére egy másik, apró - de jól kimutatható - jel rakódik rá, amely Jupiter-méretű bolygó esetén néhány nap, Föld-méretű planéta esetén néhány óra hosszúságú lehet. Ennek bekövetkezésének esélye - a bolygó tömegét?l függően - 1,5 %-tól akár 20 %-ig is terjedhet.
Az OGLE és a MOA programok - melyek többtízmillió csillagot vizsgálnak - révén megfigyelt, évi 500-700 mikrolencse-jelenség közül a PLANET program résztvevői kb. 75 eseményre koncentrálnak, amelyeknél a legvalószínűbb egy-egy bolygó hatásának kimutatása. Mivel azonban a PLANET program keretein belül keresett "új Földek" akár 20 000 fényévre is lehetnek tőlünk, az esetleges kapcsolatfelvételre nincs túl sok esély.
Különösen jól sikerült az OGLE 2003-BLG-235/MOA 2003-BLG-53 jelű mikrolencse jelenség nyomon követése. Kiderült, hogy a lencse objektum egy csillag egy bolygóval, amely mintegy 1,5 Jupiter-tömegű és pályájának sugara 3 csillagászati egység.
Mágneses tér egy exobolygó körül
Kanadai csillagászok bejelentették, hogy sikerült megtalálni az első bizonyítékot egy Naprendszerünkön kívüli bolygó mágneses terének létére, valamint egyúttal arra is, hogy egy planéta "fűti" a csillagát. A Naphoz hasonló HD 179949 jelű csillagot vizsgálták a hawaii Manua Kea hegyen lévő, 3,6 méteres Kanadai-Francia-Hawaii távcsővel, valamint ennek nagyfelbontású spektrográfjával. A HD 179949 egy tőlünk kb. 90 fényévre, a Nyilas csillagkép déli felének irányában lévő, szabad szemmel nem látható csillag. A pár éve felfedezett, legalább 270 földtömegű, nagyjából Jupiter-méretű bolygó 3,093 nap alatt kerüli meg központi égitestjét. A csillag kromoszféráját (a látható fotoszféra feletti vékony, forró réteg) az egyszeresen ionizált kálciumatomok által kibocsátott ultraibolya sugárzás tartományában vizsgálták. Az óriási mágneses viharok forró pontokat hoznak létre. Egy ilyen, a HD 179949-en megfigyelt, tartós folt több mint egy évig halad azonos sebességgel a 3 napos keringési idejű bolygóval! Úgy tűnik, mintha a csillagfolt csak kissé haladna előre a csillag felszínén, de mégis tartja a lépést a bolygóval. A legtöbb bizonyíték alapján a csillag túl lassan forog ahhoz, hogy a foltot ilyen gyors mozgásba hozza. A folt vándorlásának legvalószínűbb magyarázata a bolygó mágneses tere és a csillag kromoszférája közötti kölcsönhatás. Mindenesetre ez az első utalás egy extraszoláris planéta körüli mágneses tér jelenlétére, és ezáltal többet tudhatunk meg a bolygó szerkezetéről és keletkezéséről egyaránt.
Megtalálták az eddigi legősibb bolygót
A Hubble-űrtávcső egy olyan exobolygó létezésére szolgáltatott bizonyítékokat, amely körülbelül 13 milliárd éves, vagyis több mint kétszer idősebb a Naprendszernél, ami mintegy 5 milliárd éve kezdett megformálódni. Ez viszont azt jelenti, hogy már igen röviddel a Világegyetem születése után - egymilliárd éven belül - létezhettek ilyen típusú égitestek.
A bolygó keringési ideje kb. 100 év, tömege a Jupiterének 2,5-szerese. Egy ősi gömbhalmaz (M4) magjában kering, amely körülbelül 5600 fényévnyire van a Földtől. A gömbhalmazok több százezer csillagból álló, gömb alakú csillagcsoportosulások, amelyek a spirálgalaxisok korongját övező gömb alakú térrészben (halo) fordulnak elő. Eddig úgy tartották, hogy bolygók nem létezhetnek bennük, mert ősi keletkezésük miatt igen szegények nehezebb elemekben.
A bolygó környezete ma már igen barátságtalan hely lehet, mivel egy kiégett csillagkettős körül kering. A pár egyik tagja egy forró fehér törpe, a másik pedig egy sebesen pörgő neutroncsillag (pulzár). A rendszer harmadik tagját, azaz magát a bolygót 1988-ban fedezték fel - a pulzár viselkedésében tapasztalható szabálytalanságok alapján -, és egészen mostanáig folyt a vita, hogy valóban bolygóról van-e szó. Szóba került ugyanis, hogy ez is egy kis tömegű csillag, esetleg ún. barna törpe. A Hubble-űrtávcső adataira támaszkodva azonban sikerült meghatározni a tömegét, amely alapján bolygónak minősül.
Oxigén és szén egy távoli bolygón
Először fedeztek fel oxigént és szenet egy Naprendszeren kívüli bolygó (ún. exobolygó) légkörében, méghozzá elemi állapotban. A Hubble-űrtávcső műszerei a HD 209458b jelzésű exobolygó légkörében mutatták ki a két elemet. Ez a bolygó már több szempontból is úttörő jellegű felfedezések tárgya volt az elmúlt években: ez volt az első exobolygó, amelyet úgy fedeztek fel, hogy áthaladt csillagának korongja előtt (a rendszerre a bolygó pályasíkjában látunk rá), és ennél az exobolygónál mutatták ki először légkör jelenlétét.
A jelenlegi felfedezés lényege, hogy a felső légkör a hidrogénen kívül oxigént és szenet is tartalmaz, amire korábban nem volt példa. Ez egyébként önmagában nem meglepő, mert a bolygó a Naprendszer óriásaihoz hasonló égitest, és tudjuk, hogy például a Jupiter és a Szaturnusz légkörében is jelen vannak ezek az elemek. Az igazi meglepetés az, hogy HD 209458b esetében az oxigén és a szén elemi állapotban fordul elő. A Jupiter és a Szaturnusz esetében ugyanis mindig metán- és vízmolekulákban vannak jelen, nem szabad atomok formájában. További különbség, hogy a Jupiter és a Szaturnusz esetében ezek a vegyületek mélyen az atmoszférában találhatók, a HD 209458b esetében azonban a bolygót övező burokban fordulnak elő.
Bolygók keresése fehér törpék körül
A Hubble-űrtávcső NICMOS koronográfjának egyik új megfigyelési programja fehér törpe csillagok infravörös fényben való vizsgálata. Ezek elég halványak ahhoz, hogy körülöttük egy esetleges bolygót közvetlenül is észre vegyünk. Hét csillagból három mellett találtak kísérő objektumot, de további mérések szükségesek még mibenlétük eldöntéséhez.
Egy másik módszerrel is próbálkoznak a fehér törpék bolygóinak kimutatására. Sok fehér törpe pulzál, rezeg, ami miatt fényessége periodikusan változik. Ha van körülötte bolygó, akkor a csillag is kering a közös tömegközéppont körül, így hol közeledik, hol távolodik hozzánk képest. Mozgása következtében pedig kissé változik a megfigyelhető pulzációs periódus.
Különleges lenne a Naprendszer?
Elképzelhető, hogy a Naprendszer alapvetően különbözik az eddig felfedezett bolygórendszerek nagy részét?l, mivel másképp alakulhatott ki. Ebben az esetben a Földünkhöz hasonló bolygók igencsak ritkák. A különbözőség lehetőségét egy nemzetközi kutatócsoport vetette fel, miután megvizsgálták a mintegy 100 ismert bolygórendszert, és felállítottak két lehetséges bolygókeletkezési modellt.
A mi Naprendszerünkben az összes planéta pályája (eltekintve a különleges esetnek számító Plútótól) közelítőleg kör alakú, és a négy óriásbolygó Napunktól távol kering. Az eddig detektált exobolygók – melyek mind a Jupiterhez hasonlóak – jóval közelebb helyezkednek el központi csillagukhoz, és nagy részük sokkal elnyúltabb, elliptikusabb pályán mozog.
A Naprendszerünkre érvényes bolygókeletkezési modell szerint a Jupiterhez hasonló bolygóóriások a kisebb kőzetbolygók övezetén kívül alakultak ki, és gravitációs hatásuk révén nagy mennyiségű gázt vonzottak magukhoz környezetükből. A csillaghoz közelebbi kőzetbolygók a magasabb hőmérséklet miatt nem tudtak sok gázt lekötni. A legnépszerűbb elképzelés szerint az óriásbolygók közvetlenül gravitációs összehúzódás révén is kialakulhatnak. Ilyen módon viszont a kőzetbolygók egyáltalán nem keletkezhetnek. Vagyis ha ez a modell minden eddig ismert bolygórendszerre alkalmazható, akkor egyik esetben sincs remény arra, hogy Földünkhöz hasonló, esetleg életet is rejtő planétákat találjunk. Ugyanakkor az is igaz, hogy a jelenlegi módszerekkel még nem vagyunk képesek a kisebb tömegű bolygók detektálására (kivéve a mikrolencse jelenséget), így az eddig ismert exobolygók alapján még nem lehet statisztikai következtetéseket tenni.
dr. Szatmáry Károly
astro-ph/0404309, 0407146, 0407635, 0408158, 0408164
origo.hu, www.universetoday.com, www.spaceflightnow.com
2004. július