Exobolygók - Bolygók felfedezése más csillagok körül

1992 óta egy új, izgalmas szakterület alakult ki és 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.

Felfedezési módszerek:
közvetlen:

· direkt kimutatás a csillag mellett (pl. űrtávcsöves felvételek, főleg infravörösben) 1, 2, 3

· infravörös többlet sugárzás (a bolygó hőmérsékleti sugárzása hozzáadódik a csillagáéhoz)

közvetett:

· fotometria (csillag fényességének időnkénti lecsökkenése, amikor a bolygója elhalad előtte és egy részét elfedi)

· asztrometria (a csillag hullámos térbeli sajátmozgása az éggömbön) pl. VB 10

· spektroszkópia (a csillag színképvonalainak periodikus kék-, ill. vöröseltolódása, Doppler-effektus)

· spektroszkópia (Doppler-leképezés, a csillag színképvonalainak alakja változik, ha fedés van)

· gravitációs perturbáló hatás (a csillag körüli anyagkorongban a bolygó által)

· gravitációslencse-hatás (egy háttércsillag fényének kettős felerősítése a bolygós csillag által)

· pulzárjelek vagy más periodikus (pl. pulzációs) fényváltozás ciklikus modulációja (a csillag keringéséből származóan)

    Ha egy csillagnak van bolygója, akkor a két égitest a közös tömegközéppont körül kering, s a csillag színképében a mozgása miatt a színképvonalak periodikusan eltolódnak a Doppler-effektus következtében. A bolygó csak kicsit tudja megmozgatni a csillagát, legfeljebb néhányszor tíz m/s csupán a csillag látóirányú (radiális) sebességének változása, és ezért nagyon csekély a színképvonalak hullámhossz-eltolódása. Speciális módszereket fejlesztettek ki ennek mérésére, pl. ritka jódgázt tartalmazó cellán keresztül engedték a csillag fényét, a jód és a csillag színképe összeadódott, és a jód sok-sok éles színképvonalához képest mérték az eltolódást. Napjainkra már számos ilyen nagyfelbontású spektrográfot építettek. A hullámhossz-eltolódásból kiszámolható a látóirányú sebesség, amely változásának mértékéből a sötét kísérő minimális tömege meghatározható (csak a minimális, ugyanis nem tudjuk a bolygó pálysíkjának a látóiránnyal bezárt szögét). Ha ez a tömeg a bolygók tartományába esik (kisebb mint 13 Jupiter-tömeg), akkor a csillag körüli objektum planéta. Ha ennél nagyobb, de 75-80 Jupiter-tömegnél kisebb, akkor valószínűleg barna törpe, a legnagyobb óriásbolygók és a legkisebb tömegű vörös törpe csillagok közé eső égitest.

    Az eddig felfedezett több mint 500 exobolygó többségét a spektroszkópiai (Doppler-effektus) módszerrel találták. 1995-ben fedezték fel a Nap típusú csillag körül keringő első bolygót (51 Pegasi). Ezután sorra mutattak ki csillagok radiális sebességének változása alapján exobolygókat. Két bolygó kering a 47 UMa csillag körül.
A sebességváltozási görbe alakjából meghatározható a bolygópálya lapultsága. Általában körhöz hasonlóak a pályák, de több esetben nagyon lapult (üstökösszerű) pályán keringenek a bolygók.
    Találtak már kettőscsillagoknál is bolygókat. Előfordul olyan, hogy mindkét csillag körül kering, de van, amikor csak az egyik komponens körül (1, 2).

    Sok olyan csillag van, amely körül több bolygó kering (1, 2, 3), van olyan is (HD 10180, 1, 2, 3, 4), ahol 7. Erre abból következtetnek, hogy a csillag látóirányú sebessége csak több periodikus függvény összegével írható le, azaz több égitest "rángatja". A Gliese 581 jelű vörös törpe körül 5 vagy 6 bolygó kering, egyikük a lakható vagy életzónában. A számítógépes szimulációk során kiderült, hogy több bolygó erősen befolyásolhatja egymás pályáját, akár ki is lökődhet a rendszerből valamelyik égitest.
    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. Persze ehhez az kell, hogy a bolygó csillag körüli keringési síkja közel essen a látóirányunkhoz. Az ilyen fedési vagy tranzitos esetekben (2010 végéig 112) a csillag becsült mérete, és a bolygópálya adatainak ismeretében az exobolygó mérete is meghatározható. A csillag fényességcsökkenése a csillag típusától és a bolygó méretétől is függ, általában csupán pár ezred vagy 1-2 század magnitúdó. A bolygó a keringés során fázisokat mutat, így változik a fényessége. Újbban másodlagos fedéseket (amikor a bolygót fedi el a csillaga, így a bolygó fényesség járuléka hiányzik) is sikerült kimutatni.
    Ha a fedés közepének időpontja ingadozik, ebből további bolygó jelenlétére lehet következtetni. Naprendszerünkben is a bolygók gravitációs kölcsönhatása miatt - távolról nézve - változik a Nap előtti elhaladás időpontja.

    A fedés során a bolygó először a csillagnak a felénk forduló, közeledő (kékeltolódást mutató), majd a tőlünk elforduló, távolodó (vöröseltolódást mutató) oldalából takar el. Ez a csillag radiálissebesség-görbéjén a fedéskor jellegzetes változással jár (ennek alakjából még a bolygó pályasíkja és a csillag egyenlítője közötti szög is meghatározható), illetve a színképvonalak profiljának alakváltozása következik be (Rossiter-McLaughlin-effektus).
    A tömeg és a sugár ismeretében a sűrűség kiszámolható, és a bolygó belső felépítése is modellezhető (1, 2). 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 a légkör 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.

    Az eddig ismert exobolygók mind nagyobbak a Földnél, általában Jupiter vagy Neptunusz típusúak lehetnek. A földi spektroszkópiai és fotometriai megfigyelések még nem elég érzékenyek ahhoz, hogy a Földhöz hasonló bolygókat fedezzünk fel. Az utóbbi években indított speciális űrtávcsövek (CoRoT, Kepler), a jövőben indítandók, valamint a tervezett földi óriástávcsövek azonban már ezt is lehetővé teszik. 3-10 Föld-tömegű, ún. szuper-Földeket már találtak. Igazán izgalmas eredmény lesz a Föld típusú bolygók felfedezése, hiszen az élet kialakulása, a civilizáció létrejötte az ilyen égitesteken valószínűbb. Főleg a Nap típusú csillagok körül keresnek bolygókat, ugyanis ezek elég öregek és hosszú életűek ahhoz, hogy egy Földhöz hasonló, fejlett életet is hordozó bolygójuk lehessen.

    A CoRoT francia-európai űrtávcső csupán 27 cm-es tükrös teleszkóp, fényességmérési pontossága mégis sok nagyobb földi távcsőnél jobb. Több fedési exobolygót találtak már mérései alapján (pl. CoRoT-11b 1, 2, 3, 4). A CoRoT-3b kb. Jupiter méretű, de sokkal nagyobb tömegű, a sűrűsége meglepően nagy.
    A NASA 2009 tavaszán indított Kepler-űrtávcsöve egy kb. 1 m átmérőjű teleszkóp, amelynek egyik fő feladata tranzitos exobolygók felfedezése, várhatóan akár Föld típusúaké is. A Nap körül kering a Földéhez hasonló pályán, lassan távolodik bolygónktól. Hatalmas CCD-kamerájával folyamatosan az ég egy adott területét vizsgálja (1, 2, 3). Minden eddiginél pontosabb fényességmérésével a mellékminimumokat is meg lehet figyelni (amikor a bolygó a csillag korongja mögé kerül). A kezdeti néhány felfedezést (1, 2, 3) követően több száz új exobolygó megfigyelése az űrtávcső érdeme. A Kepler találta meg az első olyan rendszert, ahol két bolygó is csillagfedést mutatott. A Kepler-10b a Földnél mindössze 1,4-szer nagyobb planéta, felszínén azonban pokoli viszonyok uralkodhatnak, mert nagyon közel kering csillagához (1, 2, 3). A Kepler-11 csillag körül 6 fedési exobolygó kering, hozzá közeli pályán, melyek aránylag kis méretűek. Tömegük és sugaruk ismeretében már modellezhető anyagi összetételük.

    A Kepler-űrteleszkóp a korábbi mintegy 300 után további 1202 új exobolygót fedezett fel a tranzitos módszerrel, de ezek létének megerősítése a színképi Doppler-effektussal jelenleg folyik. A bolygók többsége Neptunusz méretű. 54, a Földnél alig nagyobb bolygó a csillagának a lakható zónájában kering.

    Az 1200 bolygó mintegy harmada többes bolygórendszer tagja. 115 kettős, 45 hármas, 8 négyes, 1 ötös és 1 hatos (Kepler-11) rendszert találtak. Ez arra utal, hogy a rendszerek "laposak", a bolygók közel egy síkban keringenek, így lehetséges, hogy több bolygó is elvonulni látszik a csillaga előtt.

    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 (1, 2, 3, 4, 5). 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.
    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). Ha a korong anyaga a csillag felszínének közeléig ér, a befelé spirálozó bolygó bele is zuhanhat a csillagba.
    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. Az északi és a déli féltekén is több helyre telepítették a kis robottávcsöveket. Eddig több tucat csillagnál fedeztek fel planétát, ezzel ők az egyik legsikeresebb bolygóvadász csoport. A tranzitos exobolygók mind spektroszkópiaiak is, így a sugaruk és a tömegük is jók becsülhető, amiből az átlagsűrűségük megkapható.
    Egy másik program a WASP, egy Kanári-szigeteki és egy dél-afrikai megfigyelőhellyel, sok felfedezéssel. A fedési fényváltozásból meghatározható a bolygó keringési síkjának helyzete is. Találtak tranzit és gravitációslencse hatás alapján exobolygókat az OGLE mikrolencse kereső megfigyelési program során is.
    Naprendszerünkben a Jupiternek és a Szaturnusznak több mint 60 ismert holdja van, közülük a legnagyobbak Merkúr méretűek. Az óriási exobolygók körül akár Föld méretű holdak is keringhetnek. Az exoholdak kimutatása azonban nagyon nehéz, eddig még egyet sem sikerült felfedezni. A Szegedi Tudományegyetemen és a Csillagászati Kutatóintézet Lendület-csoportjában 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 kismértékben 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.

2011. március 1.: összesen 530 exobolygó! (és még kb. 1200 eddig meg nem erősített felfedezés a Kepler-űrtávcsővel)
411 csillag körül 491 exobolygó (49 többes rendszer) a radiális sebesség módszerrel, közülük 122 bolygó a fedési (tranzit) módszerrel is,
valamint 12 exobolygó gravitációslencse-módszerrel, és 10 exobolygó pulzár és pulzáló csillag körül, 17 bolygó pedig direkt, közvetlen képalkotással látszik a csillaga mellett. Az exobolygók jelölése: a csillag neve után kisbetűkkel a felfedezés sorrendjében b, c, d ...

    A témakör megihlette a művészeket is (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8).

Exobolygók katalógusa: Extrasolar Planets Catalog
További linkek:
SFSU: Extrasolar Planets Search
Geneva: Extrasolar Planets Search
Other Worlds, Distant Suns
Microlensing Planet Search Project
NASA JPL Planet Quest
a Kepler misszió
a CoRot misszió

http://hirek.csillagaszat.hu/exobolygok.html

Video előadások:
Dr. Szatmáry Károly előadása a Szeged Szabadegyetemen (2009)
Dr. Almár Iván előadása a Mindentudás Egyetemén (2002)

Cikkek: Élet más bolygókon? (1998)

Más csillagok bolygóinak felfedezése (Meteor csillagászati évkönyv 1997)
Bolygók más csillagok körül (Meteor csillagászati évkönyv 2003)
Exobolygó hírek (2003. jún.) . Exobolygó hírek (2004. aug.) . Exobolygó hírek (2005. jún.) . Exobolygó hírek (2006. jún.)
Exobolygók (Magyar Tudomány 2006. augusztus)
Bolygók mindenütt (Fizikai Szemle 2007)
Az értelmes élet kialakulásának kozmikus feltételei