A Naprendszeren kívüli, más csillagok körül keringő bolygók (extraszoláris- vagy exobolygók) felfedezése tovább folytatódott az elmúlt évben is. Egyre több kutatócsoport foglalkozik keresésükkel, és számos amatőrcsillagász is sikerrel kapcsolódott be a csillag-fedéses exobolygók megfigyelésébe. A témakör előzményeiről és az eredményekről a http://astro.u-szeged.hu/ismeret/exo/extrasol.html és a http://hirek.csillagaszat.hu/exobolygok.html honlapokon bővebb információ található.

2006. június végén 194 exobolygó szerepel a listán, melyek 166 csillag körül keringenek, 20 csillagnak több bolygója is van. 172 esetben a spektroszkópiai módszerrel, 10 esetben a fedési (tranzit) fényességcsökkenés kimutatásával történt a felfedezés, 4-4-4 exobolygót pedig közvetlen képalkotással, gravitációs lencse jelenség során illetve pulzárok körül találtak. Jean Schneider kiváló, naprakész katalógusa (http://exoplanet.eu) gazdag információkat nyújt az exobolygókról és az anyacsillagaikról.

Az utóbbi évben 34 új bolygót fedeztek fel. Jelentősen fejlődtek a bolygó-kialakulási elméletek és a fedési fénygörbék vizsgálati módszerei.

Kialakulás

Feltűnő, hogy az exobolygók nagy része a “forró Jupiterek” közé tartozik, a több bolygós rendszerek sem hasonlítanak a mi Naprendszerünkhöz. Azonban ez valószínűleg csak annak a következménye, hogy mai módszerek a csillagukhoz közeli óriásbolygók felfedezésére a legalkalmasabbak. Mivel a Doppler-módszer esetén legalább egy teljes keringési ciklus, a fedési módszernél legalább két átvonulás megfigyelése szükséges, a hosszabb periódusú bolygók kimutatásához több idő szükséges. A naprendszerbeli óriásokhoz hasonló, néhány évtizedes keringési idejű kísérők megtalálásához hosszú évekig kell gyűjteni az adatokat. Ráadásul az ilyen, csillaguktól távolabb lévő bolygók felfedezése azért is nehezebb, mert az általuk okozott hatás kisebb mértékű.

Az igazán izgalmas eredmény a Föld típusú bolygók megtalálása lesz, 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” zóna (angolul “habitable zone”), 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 (pl. nagy hold) által okozott árapályfűtés.

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 NASA ultraibolya tartományban működő űrtávcsöve, a FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer) nagyon magas széntartalmat mutatott ki a béta Pictoris körüli anyagkorongban. A tőlünk mintegy 60 fényév távolságban lévő csillag csupán 8-20 millió éves, tömege 1,8-szer nagyobb a Napénál. Ennél a csillagnál fedezték fel 1984-ben infravörösben elsőként, hogy olyan éléről látszódó korong övezi, melyben bolygók alakulhatnak ki. Belső részének deformációja arra utal, hogy már legalább egy nagy bolygó létre is jött benne. A naprendszerbelinél nagyobb széntartalom miatt a szilikátos Föld-típusú bolygóktól jelentősen eltérő, sok grafitot, esetleg gyémántot tartalmazó, metán légkörű "szén bolygók" születhetnek az ilyen korongban.

Bolygók kialakulására alkalmas anyagkorongok szinte minden csillagtípusnál előfordulnak. Mini- és mega-bolygórendszerek is létezhetnek. Apai Dániel és munkatársai (University of Arizona) a Spitzer mérései alapján 8 nagyon fiatal barna törpe közül 6-nál kristályos, aránylag nagy szemcséket tartalmazó porkorongot mutatott ki.

Egy másik megfigyelés szerint egy piciny, csupán 8 Jupiter-tömegű, azaz bolygó méretű – ám csillagokhoz hasonlóan, önállóan létrejött - barna törpe körüli anyagkorongban jelenleg égitestek formálódnak. Ezeket inkább holdaknak tekinthetjük.

Az ESO VLT távcsöveivel olyan fiatal, csupán néhány millió évesnek becsült barna törpéket vizsgáltak, amelyek a Naphoz hasonlóan, önállóan alakultak ki a csillagközi felhőkből, és anyagkorong veszi körül őket. Tömegük 5 és 25 Jupiter-tömeg közötti, új elnevezésük “planemos” (planetary mass objects). Infravörös sugárzásuk alapján miniatűr naprendszerek alakulhatnak ki körülöttük.

Újabb elméleti modellszámítások szerint néhány Föld-tömegű kőzetbolygók alakulhatnak ki vörös törpe csillagok körül, ugyanis azok kis gravitációja miatt kevés könnyű kémiai elem maradhatott a körülöttük lévő anyagkorongban ahhoz, hogy óriásbolygók alakuljanak ki.

Egy kutatócsoport vizsgálatot végzett a vörös törpe csillagok körüli bolygók előfordulásának gyakoriságára vonatkozóan. 90 ilyen csillag színképét elemezték a HET, a VLT és a Keck 8-10 m átmérőjű óriástávcsövekkel. Egyik esetben sem találtak a radiális (látóirányú) sebességben olyan változást, amelyet 1 CsE-nél kisebb pályán keringő Jupiter-típusú bolygó okozna. Következtetésük szerint 1,27%-nál kisebb a vörös törpék körüli közeli óriásbolygók előfordulása.

A másik véglet: két nagy tömegű, forró hiperóriás csillag körül is porkorong található, melyben az infravörös színkép alapján már bolygócsírák nyomaira leltek. Az R 66 és az R 126 a Nagy Magellán Felhőben van, 30 és 70 Nap-tömegűek, ezért néhány millió éves rövid életük végén szupernóvaként felrobbannak. Ha létre is jönnek bolygók körülöttük, nem sok idejük marad a fejlődésre, rajtuk egy esetleges élet evolúciójára.

A béta Geminorum (az Ikrek csillagkép fényes Pollux csillaga) egy K színképtípusú, 1,7 Nap-tömegű óriáscsillag. 25 éven át mérték radiális sebességét, és ebben egy 589,6 napos periódusú változást találtak. Erre a legjobb magyarázat az, hogy egy legalább 2,3 Jupiter-tömegű bolygó kering körülötte, 1,6 CsE távolságban, majdnem kör alakú pályán (e=0,02). A béta Gem már a hatodik olyan csillag, amely jelentősen nagyobb tömegű és méretű mint a Nap, és bolygóval rendelkezik. A protoplanetáris anyagkorong is kiterjedtebb lehetett körülöttük, melyben nagyobb tömegű bolygók alakulhattak ki.

A csillagászok alaposan meglepődtek azon, hogy az exobolygók nagy része “forró Jupiter”, nagyon közel kering a csillagához. A legtöbb rendszer nem olyan felépítésű, mint Naprendszerünk (bár a Föld-típusú bolygókat még nemigen tudjuk kimutatni). 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 (pl. a csillag forgásában bekövetkező változást) kimutassuk?

A migráció sebessége erősen függ az anyagkorong sűrűségétől illetve viszkozitásától. Ha a bolygó elég nagy tömegű, akkor gravitációs hatásával a korongban egy ritkább zónát hozhat létre, és a kisebb közegellenállás miatt leállhat a csillagához való közeledés.

A korábban talált, pulzár körüli bolygók léte nehezen magyarázható, hiszen a neutroncsillag kialakulását megelőző szupernóva robbanás “elfújja” az esetleges közeli bolygókat. Újabban arra gondolnak, hogy a robbanás után visszamaradt anyagból egy korong jöhet létre, és ebben alakulhattak ki a bolygók. Az infravörös tartományban találtak egy ilyen korongot a 4U 0142+61 jelű pulzár körül, talán az ilyen körülmények között születhetnek a második generációs bolygók.

Többes rendszerek

A számítógépes modellek szerint egy kettőscsillag valamelyik tagja körüli anyagkorongban könnyebben kialakulhatnak anyagcsomósodások majd bolygók, ugyanis a társcsillag gravitációs hatása elősegítheti ezt a folyamatot.

A HD 188753 Nap-típusú csillag a Földtől 149 fényévre, a Cygnus csillagképben. Egy hármas rendszer tagja, ahol két társa kettősrendszert alkotva mintegy 20 CsE távol van tőle. A Keck I teleszkóppal egy 1,14 Jupiter-tömegű exobolygót találtak a főkomponens csillag körül a spektroszkópiai módszerrel. Ez az első megfigyelés többszörös szoros csillagrendszer egyik tagja körüli exobolygóról. Az új planétát a Csillagok Háborújában szereplő ikercsillag nyomán nem hivatalosan Tatooine bolygónak nevezték el. Keringési ideje 3,35 földi nap. Sárga csillaga a felszínéről figyelve hatalmas korongnak látszik, és az égen emellett a két kisebb, narancsos és vöröses színű, szintén fényes csillag is időről-időre feltűnik.

A Puppis csillagképben 41 fényév távolságra lévő, HD 69830 jelű, a Napnál valamivel kisebb tömegű csillag 5,95 magnitudó fényességű.Az ESO (European Southern Observatory) 3,6 méteres chilei távcsövére szerelt HARPS spektrográffal 2 éven át mérték a csillag látóirányú sebességét. Ebben olyan, csupán néhány m/s (!) amplitudójú változást találtak, amely 3 periodikus hullámmal jól illeszthető. A csillagnak ezt a bonyolult mozgását a körülötte keringő égitestek okozhatják. Az eredmények alapján a HD 69830-nak három bolygója van, 8,67, 31,6 és 197 napos keringési időkkel, tömegük legalább 10–18 Föld-tömeg közé esik. Ez az első rendszer, melyben három Neptunusz méretű planétát fedeztek fel. Az elméleti számítások szerint a legbelső bolygó alapvetően kőzetekből, a középső pedig kőzetből és gázból áll. A legkülső bolygó valószínűleg kőzetekből és jégből áll. Ez az égitest a csillag körüli lakható zóna belső szélének közelében helyezkedik el, ha vannak nagy holdjai, akár folyékony víz is lehet a felszínükön. Az égimechanikai számítások alapján a három bolygó dinamikailag stabil konfigurációt alkot. A rendszerben ezen felül egy jelentős tömegű kisbolygóövet is kimutattak a Spitzer infravörös űrtávcső megfigyelései alapján.

Bakos Gáspár és munkatársai (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) kisméretű, automatizált távcsövekkel készítenek képeket az ég nagy részéről, exobolygó fedések miatti fényváltozásokat keresnek. A közelmúltban kimutatták, hogy az egyik ilyen csillag (HD 189733) valójában kettős rendszer. A közelében lévő vörös törpe csillag mintegy 3200 év alatt kerüli meg, a látóirányunkra majdnem merőleges síkban.

Fedések

A csillagok fényességváltozásának mérésekor olyanokra bukkanhatnak, amelyeknek egy időre lecsökkenhet a fényessége. Ezt a jelenséget - a fedési kettőscsillagokhoz hasonlóan - az is okozhatja, hogy a csillag előtt átvonul egy másik égitest és részben eltakarja (tranzit). Az átvonulás idején fellépő jellegzetes elhalványodásból a csillag feltételezett sugarának felhasználásával kiszámolható a bolygó mérete. Sőt a fedési görbe alakjából még a csillag szélsötétedésére és a bolygópálya síkjának a látóirányunkkal bezárt szögére is következtethetünk. Akkor mondhatjuk, hogy a fénycsökkenést bolygó okozza, ha a jelenség egyforma időközönként többször megismétlődik, és így az átvonulások között eltelt idő megadja a bolygó keringési periódusát.

3. ábra: A fedési jelenség jellegzetes fényességváltozást okoz. Mivel az exobolygó tőlünk nézve fázisokat mutat, a fényváltozást ez is befolyásolja a fedések mellett.

2006 elején felfedezték a 10. olyan exobolygót, amely létét a tranzit jelensége árulta el. Az XO-1b jelű planétát a Corona Borealis csillagkép egyik 11 magnitudós csillaga fényváltozása alapján mutatták ki. Az XO megfigyelési program profi és amatőr csillagászok együttműködése fedési jelenségek keresésére. Az újonnan talált bolygó szűk 4 nap alatt kerüli meg csillagát, 173 percig tartó átvonulása során 2%-os fényességcsökkenést okoz. Tömege 0,9-szerese, sugara 1,3-szerese a Jupiternek.

4. ábra: A 10 tranzit módszerrel felfedezett bolygó a tömeg-sugár diagrammon (a pontozott vonalak az azonos átlagsűrűségeket jelzik g/cm³-ben). A telt jelek a V=12 magnitudónál fényesebb csillagok bolygóit jelzik, az üres körök az OGLE program csillagai
(V~15 magn.) körül talált bolygók.

5. ábra: 4 óriásbolygó méretarányos belső szerkezeti modellje. Jelentős különbségek vannak a szilárd mag, a folyékony köpeny és az atmoszféra méretarányaiban.

Bolygóvadász űrtávcsövek

Az ismert exobolygók számának ugrásszerű növekedését a közeljövőben felbocsátandó űrszondák méréseitől várhatjuk. A COROT - COnvection, ROtation and planetary Transits (2006) és a Kepler (2007) a fotometriai (tranzit) módszerrel keresi majd a csillaguk előtt átvonuló bolygókat. A 300 millió dolláros költségvetésű Kepler műhold a Földéhez hasonló pályára kerül a Nap körül. A Tejút csillagokban gazdag részén, a Cygnusban az égbolt nagy, 12 fok átmérőjű (nyújtott kézzel tenyérnyi) területét vizsgálja majd 95/140/140 cm-es Schmidt távcsövével és hatalmas felületű, 42 db 2200x1024 képelemes (pixeles) CCD-t tartalmazó kamerájával. Négy éven át mintegy 100 000, 14 magnitudónál fényesebb csillag fényességét méri meg 15 percenként, 0,0001 magnitudós pontossággal.

Az amerikai tervek között szerepel a 2013-ban indítandó JWST (James Webb Space Telescope) 6,6 m tükörátmérőjű óriás űrtávcső, amely fontos szerepet kap az exobolygók kutatásában is.

A GAIA és a SIM misszió várhatóan nagy pontosságú asztrometriai pozícióméréseket fog végezni. A TPF-C (Terrestrial Planet Finder Coronagraph) egyetlen nagy űrtávcső lesz, egy látható fényben működő koronográf, ami a csillag kitakarásának módszerével működik majd. E programban tervezik a TOPS (Telescope to Observe Planetary Systems) 1,2 méter tükörátmérőjű teleszkópot is, amely a 0,4-0,9 mikrométer hullámhosszú fény 12 spektrális tartományában fog méréseket végezni és már a 2 Föld-sugár méretű bolygók légköri jellemzőit is kimutathatja. A TPF-I (NASA) és a Darwin (ESA) több 3-4 m-es teleszkópból álló rendszere az infravörös interferometriai képalkotás módszerével már Föld típusú bolygók felfedezését is lehetővé teszi majd. Az exobolygó helye és mérete mellett spektroszkópiai úton meghatározható lesz atmoszférájának összetétele, amiből az élet lehetőségeire következtethetünk. A két TPF misszió csak 2018 körül valósul meg.

dr. Szatmáry Károly

astro-ph/0605414, 0606121, 0606237, 0606397, 0606571, http://www.spitzer.caltech.edu
2006. június