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 úgynevezett 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 a csillag színképében a mozgása miatt periodikus színképvonal eltolódások jelennek meg a Doppler-effektus következtében. A látóirányú sebesség változásának mértékéből a sötét kísérő minimális tömege meghatározható (1. és 2. 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: Egy csillag és bolygója a közös tömegközéppont körül kering, így a csillag látóirányú (radiális) sebessége változik, ha van bolygója.

2. ábra: A csillag színképében a vonalak eltolódásából kiszámítható a sötét kísérőjének (bolygójának) a minimális tömege (az i szöget nem ismerjük).

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”.

Egy másik sikeres módszer a bolygó kimutatására az, amikor a csillag fényességének kismértékű, többszöri (ciklikus) elhalványodását figyeljük meg amiatt, hogy a bolygója elhalad előtte, kitakar belőle (3. és 4. ábra). Persze ehhez az kell, hogy a bolygó csillag körüli keringési síkja közel essen a látóirányunkhoz. Az ilyen fedési vagy “tranzit”-os esetekben (eddig 24) a csillag becsült mérete és a bolygópálya adatainak ismeretében az exobolygó mérete is meghatározható (5. ábra.) A tömeg és a sugár ismeretében a sűrűség kiszámolható és a bolygó belső felépítése is modellezhető (6. ábra). Sőt! A bolygó esetleges légkörére is információt kaphatunk. Amikor a bolygó elhalad a csillaga előtt, annak fénye áthalad a bolygó légkörén, és annak 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: Egy csillag fényességcsökkenése a bolygó átvonulása során.

4. ábra: Az összfényesség akkor is lecsökken egy kicsit (főleg infravörösben), ha a bolygót takarja el a csillag. A fénygörbe alakját a bolygó tőlünk látható fázisai is befolyásolják.

5. ábra: A fedési fényességcsökkenés mértéke és időtartama a csillag típusától, és a csillag/bolygó méretaránytól is függ.

Az itt említett 2 felfedezési módszer mellett több másik – de kevésbé hatékony – is létezik, ezekről az irodalomban felsorolt forrásokban olvashatunk.

A bolygó felszíni hőmérsékletét a T = T* (R*/2a)^1/2 (1-A)^1/4 képlettel becsülhetjük meg, ahol T* és R* a csillag felszíni hőmérséklete és sugara, a a bolygópálya félnagytengelye, A pedig a bolygó fényvisszaverő képessége, az albedó (a Jupiterre kb. 0,35). 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.

6. ábra: 2 naprendszerbeli és 2 extraszoláris óriásbolygó méretarányos belső szerkezeti modellje. Jelentős különbségek vannak a szilárd mag, a folyékony köpeny és az atmoszféra arányaiban.

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 (7. 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 (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 (például nagy hold) által okozott árapályfűtés.

7. ábra: Az égitestek tömeg-sugár diagramja a bolygóktól a csillagokig.

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 nap csupán a keringési idejük. 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?

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 legsikerebb 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, és 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 év a bolygón alig több, mint egy földi nap hosszúságú. 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 Merkur 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 exobolygó rendszerek dinamikájára vonatkozó számításokat az ELTE Csillagászati Tanszékének égi mechanikával foglalkozó munkatársai is végeznek.

Nézzük meg mégegyszer, 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 árapály hatását 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. Ez mind szép, de ki fogja végülis átadni a gyerekeknek legalább egy részét mindennek? Nem szabad beleesni abba a hibába, ami a tanártovábbképzések (bár már ilyen is alig van) jelentős részét jellemezte eddig: a gyakorló kollegák szépen végighallgatták a sokszor tisztán elméleti előadásokat, valahogy beszámoltak belőle, hazamentek, és minden úgy ment tovább, mint korábban. Csak akkor remélhetjük, hogy az új dolgokat beépítik a tanórákba, ha megértették azokat (ugyanis rendesen elmagyarázták nekik), és gazdagon illusztrált, magyar nyelvű szakirodalmat biztosítunk számukra (lehetőleg az Interneten). Remélhetőleg az alábbi cikkek és honlapok segítenek a tájékozódásban.

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

2007. aug. 23.
(Fizikai Szemle 2007/12. 433-434-435. oldal)