Újabb bizonyíték arra, hogy különleges helyen élünk a Tejútrendszerben

2014.07.04. 15:37

Az elmúlt két évtizedben kiderült, hogy más csillagok környezetében nyoma sincs a Naprendszernél megszokott rendezettségnek. A csillagászok egészen vad pályákon keringő exobolygókat találtak, forró jupiterek köröznek csillagaik közvetlen közelében, mások roppant elnyúlt pályákon, vagy éppen a csillaguk egyenlítőjére merőleges síkban keringenek. A bolygók keletkezéséről szóló elméleteknek magyarázatot kell(ene) adniuk erre a sokféleségre.

Évszázadok óta foglalkoztatja a csillagászokat a bolygók keletkezése, amire jobbnál jobb elméletek születtek. A legújabb az 1990-es évek közepén. Elegáns volt, hihető, és még a Naprendszer megfigyelhető tulajdonságait is megmagyarázta. Akkor azonban még csak sejtettük, hogy nem a Naprendszer az egyetlen bolygórendszer a Tejútrendszerben, azt pedig végképp nem tudtuk, hogy ha valóban bolygórendszerek sokasága létezik, akkor mennyiben tipikus a Naprendszer. Azóta rohamléptekben gyarapszik a Naprendszeren kívül ismert bolygók (az exobolygók) és bolygórendszerek száma. Egy jó bolygókeletkezési elmélettől viszont elvárjuk, hogy ne csak egyetlen rendszernél állja meg a helyét, hanem a megfigyelhető rendszerek mindegyikének (vagy legalább többségének) keletkezésére magyarázatot adjon. A jelenlegi elmélet nem ilyen.

A jelenlegi elmélet: összetömörülő bolygók

Az úgynevezett mag-összetömörülési elmélet a fizika néhány alapelvéből indult ki. Eszerint a csillagok egy-egy összehúzódó gáz-és porfelhőből tömörülnek össze. A por- és gázanyag lassan forgó, lapos koronggá tömörül, közepén óriási anyagcsomóval. Ennek belsejében beindulnak a termonukleáris reakciók, és új csillag születik. A korongban maradó anyag csomósodni kezd, a csillaghoz közelebb a nehezebb, távolabb a könnyebb elemek gyűltek össze, a csomókból végül bolygók lesznek.

Az elmélet megmagyarázza, miért azonos irányban keringnek a bolygók a Nap körül, miért közel kör alakúak a pályáik, miért nagyjából egy síkban keringenek, miért viszonylag kicsi és sűrű a négy belső bolygó, miért más a külső bolygók kémiai összetétele és így tovább. Minthogy az elmélet kiinduló feltevései semmilyen Nap- vagy Naprendszer-specifikus elemet nem tartalmaztak, szerzői abban bíztak, hogy az elmélet az idegen bolygórendszerekre is igaz lesz. Nos, nem lett igaz, az eddig felfedezett exobolygó-rendszerek alig hasonlítanak a Naprendszerre.

A leggyakoribb exobolygók a Föld és a Neptunusz mérete közé esnek, ezeket nevezik a csillagászok szuperföldeknekForrás: NASA Kepler Mission/Wendy Stenzel

Szuperföld nincs a Naprendszerben

A fordulat a Kepler-űrtávcső működésének köszönhetően állt be. A 2009-ben indított űrobszervatórium százszámra fedezte fel az exobolygókat, és ez a mennyiség már statisztikai vizsgálatokat is megengedett. A legmeglepőbb felfedezés szerint a leggyakoribb exobolygó-típusnak az úgynevezett szuperföld tűnik (átmérője 1–4-szerese a Földének), de ilyen bolygó a mi Naprendszerünkben egyáltalán nem fordul elő. A Kepler előtt 330 exobolygót ismertünk, a Kepler viszont további 974 létezését igazolta, valamint 4254 úgynevezett bolygójelöltet talált, amelyek igazolása a Földi távcsövek feladata lesz (a Kepler meghibásodása miatt).

Egy dolog már most bizonyos: az idegen rendszerek nem olyanok, mint amilyeneknek a mag-összetömörülési elmélet jósolja, vagyis nem hasonlítanak a Naprendszerre. További meglepő sajátosság a „forró jupiterek” nagy gyakorisága. Ezek a Jupiterhez hasonló tömegű exobolygók csillagaik közvetlen közelében, néha a Merkúrénál kisebb pályákon keringenek. Legtöbbjük tömege a Jupiterének harmada és tízszerese közé esik, csillaguktól 0,03–3 csillagászati egységre vannak (a Jupiter a Naptól 5 cse-re). De találtak a csillaga egyenlítőjére merőleges síkban keringő bolygót éppúgy, mint nagyon elnyúlt pályán keringőt vagy olyant, amelyik a csillag forgásával ellentétes irányban kering körülötte.

A Kepler–47 rendszer (fent) két bolygója (balra) egy kettőscsillag körül kering. Összehasonlításképpen lent és balra a Naprendszer belső bolygói láthatók, a zöld sáv az ún. lakható zónaForrás: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

Egységes új elmélet kellene

Nemcsak maguk a bolygók és pályáik különlegesek, hanem esetenként a két vagy több bolygóból álló rendszerek is. A Kepler–56 rendszerben a 22 és 181 földtömegű bolygók pályája 45 fokos szöget zár be a csillag egyenlítőjével. A Kepler–47 rendszer két bolygója kettőscsillag körül kering. A Kepler–36 két bolygója minden másnál közelebb kering a egymáshoz, 14, illetve 16 nap alatt járják körbe az égitestet. Ami még megdöbbentőbb, az egyik kőzetekből áll, és nyolcszor akkora a sűrűsége, mint jeges társáé.

A Kepler legnagyobb meglepetését az eredményekből készült statisztikák szolgáltatták. A bolygók három csoportba sorolhatók: forró jupiterek, egyedi pályákon keringő óriások és szuperföldek. A harmadik csoportba tartozók általában 2–4 bolygóból álló, kompakt rendszerekben fordulnak elő, csillaguktól 0,006–1 cse távolságban néhány óra és 100 napnál hosszabb periódussal keringenek. A közeli, a Naphoz hasonló csillagok legalább 40%-a körül keringenek szuperföldek – bár a mi Naprendszerünk éppen a másik 60%-ba tartozik.

A nagy kérdés az, hogyan lehet ezt a sokféleséget rendszerbe foglalni, egységes keletkezési elméletet felállítani. Jobb híján a csillagászok a Naprendszernél bevált mag-összetömörülési elméletet próbálják toldozni-foldozni. Olyan folyamatokkal egészítik ki, amelyek a mi Naprendszerünkben nem jutottak szóhoz, másutt viszont esetleg igen. A forró jupiterek magyarázatára például azt gondolták ki, hogy azok a csillagot körülvevő anyagkorong külső részén keletkeztek ugyan, de onnan spirális pályán bevándoroltak a csillag közelébe. A csillagokhoz közeli szuperföldekre ugyancsak nem ad magyarázatot a hagyományos elmélet, mert annak értelmében a csillag közvetlen közelében az összetömörülő porkorong anyaga nem elég sűrű ahhoz, hogy ott bolygók szülessenek.

A bolygók vándorlása lehet a lényeg

Douglas Lin, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetem csillagásza és munkatársai megpróbálták egységes képpé gyúrni az ilyen és ehhez hasonló próbálkozásokat. Szerintük a lényeg a bolygók vándorlásán van. Minden bolygó a csillagától közepes vagy nagy távolságban keletkezik, majd befelé vándorol a rendszerben. Kezdetben szerepet játszhat a korai bolygók gravitációs kölcsönhatása is.

A Kepler küldetését évtizedünk végén a NASA TESS műholdja folytatjaForrás: TESS team

A magyarázatok tetszetősek, de még nagyon sok megfigyelésre lesz szükség a bizonyításukhoz, vagy a végső modell megalkotásához. A Kepler utáni megfigyelések a NASA 2017-ben indítandó TESS műholdjától (Transiting Exoplanet Survey Satellite, vagyis a csillaguk előtt átvonuló bolygókat kereső műhold) várhatók. Remélik, hogy a TESS akár a Naprendszerhez hasonló rendszert is találhat – ha egyáltalán létezik olyan. Addig viszont marad a nagy kérdés: miért ennyire más a Naprendszer, mint a többi bolygórendszer.