Az Európai Űrkutatási Ügynökség (European Space Agency, ESA) CHEOPS nevű új exobolygó-kutató küldetése egy közeli csillag körül megtalálta az eddig ismertek közül az egyik legforróbb és legextrémebb exobolygót: a WASP-189b-t. Ez a CHEOPS legeslegelső felfedezése és a legelső tudományos eredménye, egyben demonstrálja a CHEOPS egyedülálló képességeit, amivel fényt deríthet ezeknek az idegen bolygóvilágoknak a titkaira (1.ábra). A felfedezést közzétevő tanulmányt közlésre az Astronomy and Astrophysics című vezető európai csillagászati szakfolyóirat fogadta el, szerzői között több magyar csillagász is található. A tanulmány 106 szerzője közül a Vega Csillagászati Egyesület elnöke, Dr. Csizmadia Szilárd a második, aki a bolygó paramétereinek (pl. mérete) és különleges pályájának a CHEOPS-adatokból való meghatározásán dolgozott.

1. ábra: Így néz ki a CHEOPS-távcső - Forrás: wikipédia
1. ábra: Így néz ki a CHEOPS-távcső – Forrás: wikipédia

2019 decemberében indult útnak a CHEOPS űrtávcső (Characterising Exoplanet Satellite, nem szó szerinti fordításban: Exobolygó-mérő Műhold). Arra tervezték, hogy a közeli, bolygóval bíró csillagok fényváltozásait tanulmányozza. Főtükrének átmérője 33 cm. Ahogy a bolygók körbejárják a csillagaikat, kitakarhatják néha a csillagaik fényét (ez a tranzit, vagyis átvonulás a csillag előtt), elbújhatnak pár órára a csillagaik mögött (ez az okkultáció, vagyis a csillag mögötti elrejtőzés), és a csillag fényét irányunkba vissza is verhetik (ez a tükröződés, akárcsak a Vénusz fázisai, 2. ábra). A CHEOPS rendkívül nagy pontosságú fényességmérései nagy pontossággal képesek ezeknek a bolygóknak a tulajdonságait meghatározni az átvonulásokból, elrejtőzésekből és a csillagfény tükrözéséből. Ezek a pontos bolygóparaméterek pedig végső soron segítenek megérteni, hogyan alakulnak ki és hogyan fejlődnek, változnak a bolygók az évmilliárdok során.

VCSE - Az exobolygókat kellően nagy felbontású távcsővel úgy láthatnánk, mint kis távcsővel a Földről a Vénuszt, ahogy körbejárja a Napot: holdszerű alak- és fényességváltozásokat mutatnának, ahogy kisebb-nagyobb felületet fordítanak felénk a nappali oldalukból. Sajnos, csak néhány exobolygót látunk közvetlenül, a legtöbbjét nem. Utóbbiakról közvetett úton tudjuk meghatározni a létezésüket és tulajdonságaikat, a csillaguk fényesség-, sebesség- és pozícióváltozásaiból. Ilyne közvetett úton derítettek fényt a WASP-189b extrém tulajdonságaira is. - Forrás: wikipédia, feliratokkal ellátva
2. ábra: Az exobolygókat kellően nagy felbontású távcsővel úgy láthatnánk, mint kis távcsővel a Földről a Vénuszt, ahogy körbejárja a Napot: holdszerű alak- és fényességváltozásokat mutatnának, ahogy kisebb-nagyobb felületet fordítanak felénk a nappali oldalukból. Sajnos, csak néhány exobolygót látunk közvetlenül, a legtöbbjét nem. Utóbbiakról közvetett úton tudjuk meghatározni a létezésüket és tulajdonságaikat, a csillaguk fényesség-, sebesség- és pozícióváltozásaiból. Ilyen közvetett úton derítettek fényt a WASP-189b extrém tulajdonságaira is. – Forrás: wikipédia, feliratokkal ellátva

A CHEOPS első felfedezése az úgynevezett „ultraforró Jupitereket” érinti, azok közül is a WASP-189b nevű exobolygót. A forró Jupiterek, mint nevük is mutatja, a mi naprendszerünk-beli Jupiterhez hasonló méretűek és tömegűek, de sokkal közelebb keringenek a csillagukhoz. A mi Jupiterünk majdnem 12 év alatt járja körbe a Napot: a forró Jupiterek csak néhány nap alatt. A csillagközelség miatt sok hőt kapnak a csillaguktól, és felületük akár 1-2 ezer fokra is felhevül. Az ultraforró Jupiterek hőmérséklete magasabb, 3000-4500 fok is lehet, mert még közelebb vannak a csillagukhoz vagy – mint a WASP-189b is – eleve a szokottnál is forróbb csillag körül keringenek.

A WASP-189b kb. hússzor közelebb van a központi csillagához, mint a Föld a Naphoz. Emiatt a keringésideje is sokkal rövidebb a Földénél: a WASP-189b mindössze 2,7 nap alatt járja körbe csillagát. Az ő csillaga kékesen világít, mert több, mint 2000 fokkal forróbb a felszínén, mint a mi Napunk.

Monika Lendl csillagásznő, a tanulmány első szerzője és a kutatócsoport vezetője a Svájcban lévő Genfi Egyetem kutatója. Erről a bolygóról ezt mondta el: „Mindössze maroknyi olyan bolygó létezéséről tudunk, amelyek ennyire forró csillag körül keringenek. A WASP-189b a legfényesebb ilyen csillag körül kering, a csillag 6,6 magnitúdós. A WASP-189b egyben a legfényesebb forró Jupiter, amit láthatunk elvonulni a csillaga előtt, de láthatjuk a csillaga mögé rejtőzni is. Ezek a tulajdonságai rendkívül érdekes bolygórendszerré teszik.”

3. ábra: A WASP-189 azonos a HD 133112-es csillaggal. Ez a Napnál kb. 2,4-szer nagyobb (3 millió 360 ezer km-es) átmérőjű csillag kb. 2200 °C-kal forróbb a mi Napunknál, emiatt kékes színűnek látszik. Nagyon gyorsan forog, átlagos forgásideje csak 10,02 óra (a mi Napunké 28 nap). A csillag kora csak 730 millió év, a mi Naprendszerünk korának kb. a hatoda. A csillag felületi fényessége nem egyenletes, a gyors forgás miatt az egyenlítője mentén kitágul és lehűl (ezek a sötétkékes régiók), a pólusvidéke a világoskékes, forróbb, fényesebb régió. A bolygó pályáját a szaggatott vonal jelzi. A bolygó mérete a mi Jupiterünkének 1,6-szerese, tehát kb. 224 000 km átmérőjű. Jobbra a Nap (Sun), a Föld (Earth) és a Jupiter van feltüntetve méretarányosan, hogy összehasonlíthassuk az égitestek méreteit a WASP-189 rendszerével. (Kép forrása: (C) ESA)
3. ábra: A WASP-189 azonos a HD 133112-es csillaggal. Ez a Napnál kb. 2,4-szer nagyobb (3 millió 360 ezer km-es) átmérőjű csillag kb. 2200 °C-kal forróbb a mi Napunknál, emiatt kékes színűnek látszik. Nagyon gyorsan forog, átlagos forgásideje csak 10,02 óra (a mi Napunké 28 nap). A csillag kora csak 730 millió év, a mi Naprendszerünk korának kb. a hatoda. A csillag felületi fényessége nem egyenletes, a gyors forgás miatt az egyenlítője mentén kitágul és lehűl (ezek a sötétkékes régiók), a pólusvidéke a világoskékes, forróbb, fényesebb régió. A bolygó pályáját a szaggatott vonal jelzi. A bolygó mérete a mi Jupiterünkének 1,6-szerese, tehát kb. 224 000 km átmérőjű. Jobbra a Nap (Sun), a Föld (Earth) és a Jupiter van feltüntetve méretarányosan, hogy összehasonlíthassuk az égitestek méreteit a WASP-189 rendszerével. (Kép forrása: (c) ESA)

Monika Lendl és munkatársai először a WASP-189b okkultációit (csillag mögötti elrejtőzéseit) vizsgálták még idén tavasszal a Cheops-űrtávcsővel. Mivel a bolygó nagyon fényes, igen könnyű észrevenni a Cheops-szal, hogy okkultációkor a csillag fénye mellől hiányzik a bolygó fénye. Ilyenkor pár órán keresztül azt látjuk a távcsővel, hogy a csillag és a bolygó együttes rendszerének összfényessége lecsökken, ahogy a bolygó eltűnik lassan a csillag mögött, majd újra megjelenik.” – magyarázta Monika. „Ezt használtuk fel a bolygó fényességének meghatározásához, amiből végül pedig arra következtettünk, hogy a bolygó szinte perzselődik a csillaga alatt, mert a felületén, a nappali oldalon a hőmérséklet 3200 °C.”

Ez a hőmérsékletérték a WASP-189b-t az egyik legforróbb és legextrémebb exobolygóvá teszi. Egyáltalán nem hasonlít a Naprendszerben ismert egyik bolygóra sem. Ilyen magas hőmérsékleten még a vas is, és a többi fém is megolvad és gázzá alakul. Egyértelmű, hogy az ilyen bolygó nem lakható.

Ezután a CHEOPS-szal a WASP-189b tranzitjait vizsgálták meg: a jelenséget, amikor a bolygó átvonul a csillag előtt. Az átvonulásokból (tranzitokból) egyebek mellett a bolygó méretére, alakjára és pályájára is lehet következtetni. A WASP-189b tranzitjaiból pl. kiderült, hogy a bolygó mérete a Jupiterének, a Naprendszer legnagyobb méretű bolygójának majdnem 1,6-szorosa (3-4. ábrák).

 

4. ábra: A Cheops műhold (balra), és a WASP-189b bolygó a csillaga előtt (tranzit) és mögötte (okkultáció). Jobbra fenn az okkultáció (elrejtőzés) során bekövetkező fényességváltozás látszik: a rendszer mért fényessége az okkultáció idején lecsökken. (Kék pontok az eredeti mérések, fekete pontok ezek átlaga, a narancssárga vonal pedig az illesztett modell.) Jobboldali alsó ábra: a fekete pontok az eredeti mérések tranzit idején. Ilyenkor a csillag pár órára kitakarja a csillag fényének egy részét, ezért lecsökken a csillag fényessége. A zöld vonal egy gömb alakú csillaggal közelített illesztés, de ennél sokkal pontosabb illesztéshez jutunk, ha a csillagot ellipszoid alakúak vesszük a gyors forgása miatt (narancssárga vonal). Utóbbiból lehetett következtetni a csillag pályájára és a csillag fényességeloszlására a pólusaitól az egyenlítőjéig. (Ezen a tranzitmérésen dolgozott Csizmadia Szilárd, a németországi DLR csillagásza, itt az ő munkájának eredményét látjuk). Forrás: (C) ESA
4. ábra: A Cheops műhold (balra), és a WASP-189b bolygó a csillaga előtt (tranzit) és mögötte (okkultáció). Jobbra fenn az okkultáció (elrejtőzés) során bekövetkező fényességváltozás látszik: a rendszer mért fényessége az okkultáció idején lecsökken. (Kék pontok az eredeti mérések, fekete pontok ezek átlaga, a narancssárga vonal pedig az illesztett modell.) Jobboldali alsó ábra: a fekete pontok az eredeti mérések tranzit idején. Ilyenkor a bolygó pár órára kitakarja a csillag fényének egy részét, ezért lecsökken a csillag fényessége. A zöld vonal egy gömb alakú csillaggal közelített illesztés, de ennél sokkal pontosabb illesztéshez jutunk, ha a csillagot ellipszoid alakúak vesszük a gyors forgása miatt (narancssárga vonal). Utóbbiból lehetett következtetni a bolygó csillagkörüli pályájára és a csillag fényességeloszlására a pólusaitól az egyenlítőjéig. (Ezen a tranzitmérésen dolgozott Csizmadia Szilárd, a németországi DLR csillagásza, itt az ő munkájának eredményét látjuk). Forrás: (c) ESA

Azt is tapasztaltuk, hogy a csillag önmagában is érdekes: nem teljesen kerek, hanem nagyobb és hűvösebb az egyenlítőjénél, mint a pólusainál, viszont a pólusainál kisebb és fényesebb – a csillag erősen lapult a sarkvidékein” – fejtegette Monika. „Olyan gyorsan forog, hogy a csillag kitágul az egyenlítőjénél! A bolygó a csillag pólusvidékei felett halad el, nem pedig az egyenlítője mentén.” A mi Naprendszerünkben lényegében mindegyik bolygó a Nap egyenlítőjéhez közeli síkban halad el, a pólusai felett egyik sem (5-6. ábrák).

5. ábra: Képzeljük el, hogy a sárga korong a Nap, a narancssárga vízszintes vonal a Nap egyenlítője. Ekkor a zöld, szürke, kék, vörös, ciánkék, barna, lila és rózsaszín vonalak rendre a Naprendszer bolygóinak Nap elé vetített átvonulásai centrális tranzit esetén: a Merkúré, a Vénuszé, a Földé, a Marsé, a Jupiteré, a Szaturnuszé, az Uránuszé és a Neptunuszé. Látható, hogy a mi saját bolygórendszerünkben a bolygópályák közel egy síkban vannak és nagyon közel a Nap egyenlítőjéhez. A legtöbb ismert bolygórendszer valószínűleg ugyanilyen. 
5. ábra: Képzeljük el, hogy a sárga korong a Nap, a narancssárga vízszintes vonal a Nap egyenlítője. Ekkor a zöld, szürke, kék, vörös, ciánkék, barna, lila és rózsaszín vonalak rendre a Naprendszer bolygóinak Nap elé vetített átvonulásai centrális tranzit esetén: a Merkúré, a Vénuszé, a Földé, a Marsé, a Jupiteré, a Szaturnuszé, az Uránuszé és a Neptunuszé. Látható, hogy a mi saját bolygórendszerünkben a bolygópályák közel egy síkban vannak és nagyon közel a Nap egyenlítőjéhez. A legtöbb ismert bolygórendszer valószínűleg ugyanilyen.

 

6. ábra: Most képzeljük azt, hogy a sárga korong a WASP-189 jelű csillag, egyenlítője pedig a narancssárga vonal. Ekkor a most vizsgált bolygó, a WASP-189b majdnem pontosan merőlegesen halad el az egyenlítőhöz képest a csillag korongja előtt minden 2,7 napban. A csillagegyenlítőhöz képest a bolygópálya dőlésszöge 85,4°(±4,3°). A naprendszerben az a dőlésszög a nagybolygókra nézve 5,7° (Merkúr) és 8,5° (Szaturnusz, Neptunusz) között változik csak.
6. ábra: Most képzeljük azt, hogy a sárga korong a WASP-189 jelű csillag, egyenlítője pedig a narancssárga vonal. Ekkor a most vizsgált bolygó, a WASP-189b majdnem pontosan merőlegesen halad el az egyenlítőhöz képest a csillag korongja előtt minden 2,7 napban. A csillagegyenlítőhöz képest a bolygópálya dőlésszöge 85,4°(±4,3°). A naprendszerben az a dőlésszög a nagybolygókra nézve 5,7° (Merkúr) és 8,5° (Szaturnusz, Neptunusz) között változik csak.

A csillagegyenlítőkhöz ilyen nagy szögben megdőlt pályák (6. ábra) tovább mélyítik a forró Jupiterek kialakulásának rejtélyét. Ezek a Jupiter-méretű bolygók a csillaguktól távolabb alakulnak ki, ahol a csillag forrósága és csillagszele nem fújja már kijjebb a gázanyagot. (Ezért nincsen pl. a Földnek hatalmas hidrogénburka, mert közel lévén a Naphoz keletkezése idején, már nem volt elég hidrogén itt a környezetünkben, amit befoghatott volna. Ezt ugyanis a fiatal Nap sugárzása kijjebb nyomta.) A külsőbb pályán keringő Jupiterek valamilyen módon beljebb jutottak, 20-30-szor közelebb a csillagukhoz, mint ahol eredetileg kialakultak. De hogyan? Lehet, hogy a csillag körüli, korong alakú felhőben lefékeződtek és belsőbb pályára kerültek (de ekkor továbbra is a csillag egyenlítőjéhez közel kellett volna maradnia pályasíkjuknak), vagy egy másik közeli csillag, esetleg barna törpe megzavarta pályájukat, és ennyire eltávolította őket a csillag egyenlítői síkjától. Utóbbi esetben könnyen a távolból is a csillag közelébe kerülhetnek a távoli Jupiterek, és akár a csillag egyenlítői síkjára közel merőleges pályára is állhatnak. „A CHEOPS-szal sikerült megmérnünk a WASP-189b pályadőlésének valódi szögét, és ezt közel merőlegesnek találtuk a csillag egyenlítői síkjára, ez arra utal, hogy ez a forró Jupiter korábban valami ilyesmin ment keresztül.” – gondolkodott el az eseten Monika Lendl.

A CHEOPS 2019 decemberében állt pályára, 2020 januárjában „nyitotta ki szemeit” és az észlelési rutinfeladatokat áprilisban kezdte el. Azóta már több hónapnyi észlelést gyűjtött össze különböző bolygórendszerekről, és az első eredmények után nemsokára jön a többi is.

Kate Isaak, az ESA Cheopsért felelős projektkutatója nagyon örült, hogy az első eredmények igazolják a befektetett munkát: „A Cheops első eredményei nemcsak nagyon izgalmasak, de határozottan mutatják, hogy az előzetesen elvárt pontossági követelményeket a Cheops teljesíti.

Az utóbbi mintegy negyed évszázadban több ezer exobolygót fedeztek fel a földfelszíni csillagvizsgálókból és az űrben keringő speciális obszervatóriumokból, és folyamatosan történnek a felfedezések ma is. De egyetlenegy felfedezett rendszer sem teljesen ugyanolyan, mint a mi Naprendszerünk. Az eddig felfedezettek közül még a Naprendszerre legjobban hasonlító Kepler-90 (másik nevén KOI-351) is csak részben emlékeztet a mi bolygórendszerünkre.

A CHEOPS egyedülálló, speciális szerepet tölt be az exobolygók tanulmányozásában” – folytatta Kate Isaak. „Egyfelől azoknak a bolygóknak a tranzitjait keresi, amelyeket a Földről már megtaláltak, pl. radiális sebességgörbe módszerrel, de tranzitjukat még nem látták. Amelyek tranzitjai pedig már ismertek, ott a CHEOPS igyekszik pontosabb bolygóméretet meghatározni a korábbiaknál. A bolygópályák és a bolygók által visszavert fény tanulmányozásával pedig az első lépéseket teheti meg a CHEOPS például a bolygólégkörökben lévő felhők és légköri tulajdonságok feltérképezése felé.

A következő években a CHEOPS több száz, már ismert exobolygót fog megfigyelni, amik fényes csillagok körül keringenek. Ezzel kiterjeszti az olyan vizsgálatok lehetőségét további célpontokra is, amit például most a WASP-189b esetében végzett el. A CHEOPS az első az ESA három tervezett űrmissziója közül, amik a következő egy-két évtizedben az exobolygók felfedezésére és tulajdonságaik jobb megismerésére irányulnak (7. ábra). A másik kettő a 2026 után induló PLATO, amellyel hosszú keringésidejű, kisméretű exobolygókat szeretnének a kutatók találni; a másik a még később induló ARIEL, amellyel az akkor ismert exobolygó-légköröket szeretnék megvizsgálni színképelemzéssel, nem utolsósorban persze életnyomokat is keresve. A CHEOPS igen alkalmas arra, hogy az ARIEL számára azonosítson olyan célpontokat, amelyek légkörrel bíró exobolygók lehetnek, így a későbbi vizsgálatok nélkülözhetetlen előfutárát látjuk ebben az űrtávcsőben.

A CHEOPS nem egyszerűen segít elmélyíteni az exobolygókról alkotott ismereteinket” – mondta Kate Isaak -, „hanem segít jobban elhelyezni a mi Földünket és a Naprendszerünket is majd a bolygóvilágok között.” Ezzel arra utalt, hogy a sok-sok bolygó és bolygórendszer között talán egyszer megérthetjük, miért van olyan kevés, ami naprendszerszerű.

7. ábra: A Cheops kutatói boldogok, mert az űrtávcső pontossága megfelel az előzetesen vártnak, ez pedig sok, alapos és részletes vizsgálatot tesz lehetővé az exobolygókról a közeljövőben (Kép: (c) Frederik Peeters / David Ehrenreich)
7. ábra: A Cheops kutatói boldogok, mert az űrtávcső pontossága megfelel az előzetesen vártnak, ez pedig sok, alapos és részletes vizsgálatot tesz lehetővé az exobolygókról a közeljövőben (Kép: (c) Frederik Peeters / David Ehrenreich)

A tudományos szakközlemény elérhetősége

A „The hot dayside of WASP-189b and its gravity-darkened host star seen by CHEOPS” (magyarul: A WASP-189b forró nappali oldala és gravitációsan elsötétedett központi csillaga, ahogy a CHEOPS látta) című szakcikk, amelynek szerzői Monika Lendl, Csizmadia Szilárd, Andrea Delin és 103 másik csillagász (közte három, Magyarországon vagy külföldön dolgozó további magyar csillagásszal, valamint a svájci Didier Queloz Nobel-díjas asztrofizikussal) az Astronomy and Astrophysics c. neves csillagászati szaklapban került közlés céljából elfogadásra. A cikk ingyenesen letölthető innét: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa38677-20.pdf

Néhány információ a CHEOPS hátteréről

Az ESA volt felelős az űrtávcső előkészítéséért, indításáért, a korai működtetésért, és a pályára állításért. Továbbá az ESA felelős az ún. vendégészlelői programért (Guest Observers’ Programme), amin keresztül világszerte pályázhatnak a kutatók távcsőidőért a CHEOPS-on. A CHEOPS-konzorcium tizenegy ESA-tagországból és egy együttműködő országból áll. A résztvevő tagországok: Ausztria, Belgium, Franciaország, Németország, Magyarország (Csillagászati és Földtudományi Intézet, ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium, Admatis Kft), Olaszország, Portugália, Spanyolország, Svédország és az Egyesült Királyság. A konzorcium együttműködő, egyben vezető országa Svájc, amely a küldetés legfontosabb elemeit biztosította. A konzorciumot is egy svájci egyetem, a Berni Egyetem vezeti. Az űrtávcső tervezését és kivitelezését az Airbus Védelmi és Űrtechnikai cég végezte Madridban (Spanyolország).

További információkért, kérjük, látogassa meg az alábbi oldalt: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cheops