Anyagvilág - Háttérinformáció

Molnár László, Kovács József:

AZ EXOBQLYGÓ-LÉGKÖRÖK REJTÉLYES VILÁGA

 

Tartalomjegyzékhez Világképem     

Az exobolygó-kutatás napjaink egyik legsikeresebb csillagász-témája. Egyre újabb eszközök, módszerek segítik a más csillagok körül keringő bolygók felfedezését, kutatását, ennek megfelelően egyre többről egyre többet tudunk. Ám arról például még így is nagyon kevés információnk van, hogy milyen lehet az exobolygók atmoszférája...

A HR 8799 jelű csillag az exobolygó-kutatók egy népszerű célpontja. Ez a viszonylag közeli égitest volt az egyik első, ahol közvetlen felvételekkel lehetett igazolni, hogy bolygók keringenek körülötte. Nem is egy, hanem három (b, c, d), majd nem sokkal később egy negyediket (e) is azonosítottak, és azóta is intenzív vizsgálatok alanya. Ráadásul a nagyméretű, egyedileg megfigyelhető bolygók okán a rendszer nagyszerű kísérleti terep az exobolygó-légkörök kutatására is.

Csakhogy a bolygók légkörét nagyon nehéz detektálni, mivel roppant halványak a közelükben fénylő csillaghoz képest. A korábbi mérések alapján úgy tűnt, hogy a b, c és d bolygók légköre is gyanúsan kevés metánt tartalmaz. A hiányt okozhatja, hogy a bolygóknak igen vastag felhőzetük van, amelyek felmelegítik a légkörüket. A légkörmodellek számára azonban nagy nehézségeket okozott, hogy az infravörös mérésekhez illeszkedő, realisztikus bolygóátmérőt produkáljanak.

A fentiek fényében érthető, hogy a Patrick Ingmham (Stanford University) vezette népes szerzőgárda miért éppen a HR 8799-et választotta a nemrég üzembe állított Geminí Planetary Imager (GPI) nevű műszer egyik első célpontjául. A chilei, nyolc méteres Gemini South távcsövén található detektor nem egy egyszerű kamera: a GPI egy integrált mező-spektrográf, amely képes a felvétel minden egyes pixelének színképét is rögzíteni. Ez lehetővé tette, hogy a kutatók a c és d jelű bolygók színképét ugyanazzal a méréssel külön-külön felvegyék. (A b bolygó a látómezőn kívül volt, az e pedig túl közel látszott a csillaghoz.)

Az újonnan felvett spektrumok jó egyezést mutattak a korábbi eredményekkel. Azt is megfigyelték ugyanakkor, hogy a két bolygó színképe eltér egymástól, vagyis a főbb paramétereik (tömeg, hőmérséklet stb.) jobban különböznek, mint korábban feltételezték. Ezek után megpróbálták részletesen modellezni a bolygók légkörét, a korábbi méréseket is figyelembe véve.

A HR 8799 négy bolygója a központi csillag kitakart képe körül ezek közül a c és d légkörét
vizsgálták meg a GPI-vel FORRÁS: NRC/HIA, C. MAROIS, KECK OBSERVATORY

Arra jutottak azonban, hogy a legjobb légkörmodell sem illeszkedik mindegyik hullámhossztartományban a megfigyelésekre. A legnagyobb kihívás, hogy szükség lenne vastag felhőtakaróra az alsó rétegek melegítéséhez és a metán jelének elnyomásához, de a felhőréteg túl vastag sem lehet, hogy a mélyebb rétegekből eredő emisszió még megjelenhessen a spektrumban. Azt találták, hogy ha ragaszkodtak a bolygófejlődési modellek által meghatározott bolygósugárhoz, nem képesek jól illeszteni a színképeket. Ha a sugarat szabad paraméterként kezelik, a spektrum ugyan jobban rásimul a mérésekre, de akkor meg a bolygók mérete lenne túl kicsi a bolygókeletkezési és -fejlődési modellekhez képest.

A szerzők két lehetőséget vetnek fel a probléma megoldására. Egyrészt a bolygók szerkezete lehet olyan, hogy egy nagyon nagy méretű és tömegű magot vesz körbe egy hidrogén—hélium-burok, némileg ellentmondva a bolygókeletkezési modelleknek. A másik, jóval valószínűbb lehetőség, hogy egyszerűen nem elég részletesek a légkörmodellek, és nem tartalmazzák még az idegen bolygólégkörök összetett kémiáját és hőszállítási módjait.

Teoretikusok gyakran viccelődnek azon, hogy a megfigyelési adatok csak arra jók, hogy belerondítsanak a gyönyörű szép modellekbe. Remélhetőleg a GPI megfigyelései alaposan felborítják majd az exobolygók atmoszféráiról szóló, egyelőre meglehetősen vázlatos elképzeléseket, és a következő években a kutatók egyre pontosabb modelleket tudnak majd készíteni ezekről az idegen világokról. Az eredményeket bemutató szakcikk az Astrophysical Journal folyóiratban fog megjelenni.

Egy másik cikk a Science Express-ben és az Astrophysical Journal Letters-ben egy másik exobolygó légkörének vizsgálatáról szól — és ebben is igen érdekes eredményeket kaptak, melynek során az eddigi legrészletesebb hőmérsékleti és vízpára-eloszlási térképet hoztak létre egy távoli planéta szélsőséges paraméterekkel rendelkező légköréről.

A két bolygóról gyűjtött eddigi összes mérés: a GPI (kék), a Large Binocular Telescope

(piros) és a palomarí Hale-távcső (zöld) adatai. A fekete vonalak és pöttyök a rögzített

bolygósugárral számolt modellek, a rózsaszínek a szabadon változtatható értékkel készültek.
Látszik, hogy a fekete görbék nem illeszkednek túl jól. FORRÁS: INGRAHAM ÉS MUNKATÁRSAI

A 2011-ben felfedezett WASP-43b jelű exobolygó mindössze 19,5 óra alatt kerüli meg a tőlünk 260 fényév távolságban található, K7 színképtípusú csillagát. A planéta mérete nagyjából akkora, mint a Jupiteré, tömege azonban körülbelül kétszerese a naprendszerbeli óriásénak. Mivel nagyon közeli pályán járja körbe a narancssárga központi égitestet, ezért keringése gravitációsan kötött, azaz mindig ugyanazon oldalát mutatja csillaga felé, hasonlóan ahhoz, ahogyan a Hold kering a Föld körül. A közelség és a kötött keringés okán a bolygón rendkívül szélsőségesek a viszonyok: az acél  megolvasztásához is elegendő, körülbelül 1600 Celsius-fok hőmérsékletű nappali oldalról hangsebességgel rohanó szelek fújnak a mintegy ezer fokkal hűvösebb, koromsötét éjszakai félteke felé. A főleg hidrogénből álló forró planétán nincsenek olyan felszíni alakzatok — óceánok, kontinensek —, amelyek segítségével nyomon lehetne követni a forgását, csak az éjszakai és a nappali oldal közötti hőmérséklet-különbség nyújthat a távoli megfigyelő számára támpontot. Spektroszkópiai mérések segítségével a Kevin Stevenson (University of Chicago) által vezetett csoportnak sikerült meghatároznia a WASP-43b légkörében a vízgőz mennyiségét és az atmoszféra különböző rétegeinek hőmérsékletét, a bolygó forgása alapján pedig az előbbi paraméterek hosszúság szerinti eloszlását is. A kutatók először tudták egy planéta három teljes forgási periódusát végigkövetni, ami Jean-Michel Désert (University of Colorado) szerint meghatározó volt a mérések szempontjából.

A WASP-43b és a körülötte keringő bolygó méret- és pályaviszonyai, illetve a planéta

hőmérsékleti térképe. A kötött keringés miatt a bolygó csillag felé forduló és azzal

ellentétes oldalának hőmérséklete között nagy különbség alakult ki. A fehér színnel 

jelzett részek mintegy 1500, a sötéttel jelölt területek pedig körülbelül 500 Celsius-

fokosak. A hatalmas gradiens éles ellentétben áll a Naprendszer óriásainak nagyjából

egyenletes hőmérséklet-eloszlásával. A Hubble infravörös mérései alapján a hőmérséklet

magasság és hosszúság szerinti eloszlása is nyomon követhető.
FORRÁS: NASA, ESA ÉS K. STEVENSON, L. KREIDBERG ÉS J. BEÁN (UNIVERSITY OF CHICAGO)

Mivel a Naprendszerben nem találunk ennyire szélsőséges viszonyokkal rendelkező bolygót, az ilyen bizarr légkörű planéták egyedülálló lehetőséget nyújtanak a bolygók formálódásának és fizikájának jobb megértéséhez. Laura Kreidberg (University of Chicago) magyarázata szerint a WASP-43b olyan forró, hogy az atmoszférájában gőz formájában van jelen az összes víz, ellentétben például a Jupiterrel, ahol az jeges felhőkbe kondenzálódik. A vízről pedig azt gondoljuk, hogy jelentős szerepet tölt be az óriásbolygók kialakulásában, mert azokat fejlődésük korai szakaszában rengeteg jeges üstökös bombázza. A Naprendszer óriásbolygóinak áról azonban nagyon kevés információnk van, mivel az jég formájában „leülepedik", így szinte eltűnik a megfigyelhető felsőlégkörből. A forró Jupiterek esetében azonban a gőzállapot miatt viszonylag könnyen nyomon követhető spektroszkópiai módszerekkel. Kreidberg hangsúlyozta, hogy csoportjuk nem egyszerűen csak detektálta a vízgőzt a WASP-43b atmoszférájában, hanem a mennyiségét és a hosszúság szerinti eloszlását is megadta.

Az éhez vezető folyamatok jobb megértése érdekében minél többet kell tudnunk a kémiai összetételükről. A csoport eredményei szerint a WASP-43b esetében a víz mennyisége nagyjából annyi, amennyit egy, a Naphoz hasonló kémiai összetételű objektumtól várhatunk. Ez pedig Kreidberg szerint a bolygókeletkezéssel kapcsolatos alapvető tényre világít rá.

A csoport további bolygók esetében is tervez méréseket a vízgőzre vonatkozóan. A Hubble utóda, a James Webb-űrteleszkóp -- a célbolygó hőmérsékletétől függően — már nemcsak a víz, de a szén-monoxid, a szén-dioxid, az ammónia és a metán mennyiségének meghatározására is képes lesz majd.

Tartalomjegyzékhez Világképem     

-----------------

Élet és Tudomány ■ 2014/44 ■ 1389

https://hu.wikipedia.org/wiki/HR_8799 

http://www.csillagaszat.hu/hirek/asztrofizika-hirek/af-exobolygok/szelsoseges-idojaras-exobolygo/