Egy különleges exobolygó-rendszer felfedezését jelentette be nemrég egy nemzetközi kutatócsoport a nagy presztízsű Nature Astronomy újságban (Impakt Faktor = 14,4). A kutatást Luisa Maria Serrano és Davide Gandolfi vezették, mindketten a Torinói Egyetem Fizika Tanszékének munkatársai. A kutatók a felfedezést a TESS exobolygó-kutató űrtávcsővel tették, a bolygók tulajdonságait pedig a HARPS spektrográf segítségével határozták meg. A megfelelő mennyiségű adat felvételéhez egy évre volt szükség.
Mára a felfedezett exobolygók száma az ötezret is túllépte, szinte már mindennapos egy-egy új bolygó, bolygórendszer felfedezése (arról, hogy mi is az az exo-, azaz extraszoláris bolygó, illetve a felfedezések mikéntjéről, a használt műszerekről ebben a beszélgetésben tudhatunk meg többet). A bolygódömpinget látva felmerülhet bennünk a kérdés, vajon miért is ennyire különleges ez a rendszer? A választ kutatva a cikk magyar társszerzőjét, Dr. Csizmadia Szilárdot, a Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt csillagászát kérdeztem:
– A több mint 5000 exobolygó között csak mintegy 130 USP (Ultra Short Period, azaz nagyon rövid periódusidejű) exobolygó van – mondta el Dr. Csizmadia Szilárd. – Ezek egy napnál rövidebb keringési idejűek. Nagy kérdés, hogy alakulhattak ki. Nem mindig fedezünk fel kísérőbolygót USP rendszerekben. Ennek a rendszernek az érdekessége, hogy nemcsak egy további bolygót sikerült találni, hanem rögtön hármat. Vagyis összesen négy bolygó kering a rendszerben: a sok ezer exobolygó-rendszer közül kb. 50 ismert jelenleg (2022 májusában), amelyikben négy bolygót is felfedeztek! Ez pedig sokkal több megszorítást jelent a rendszerre, az élettörténete feltérképezhetővé válik.
Érdemes itt megjegyeznünk, hogy a legtöbb felfedezett bolygórendszerben mindössze egy bolygót találtak eddig. Hogy nincs bennük több bolygó, vagy van, csak nehezen felfedezhető a hosszú keringésidő, azt a további kutatások fogják eldönteni.
– A most felfedezett rendszer legbelső bolygója, a TOI-500b is egy USP bolygó, csillagát mindössze 13 óra alatt kerüli meg – folytatta. – A bolygó földszerű, azaz kőzetbolygó, és méretében is hasonlít otthonunkra, tömege másfélszer, sugara csupán 15%-kal nagyobb a Földénél. Mivel azonban mindössze 0,01 CSE-re kering csillagától, felszíne nagyon meleg, az 1350 °C körüli hőmérséklet miatt valószínűleg láva borítja.
A 0,01 CSE azt jelenti, hogy százszor kisebb a távolság a TOI-500b és a csillaga között, mint a Nap és a Föld között!
A rendszer másik három bolygója 6,6, 26,2, illetve 61,3 nap alatt tesz meg egy fordulatot a TOI-500 csillag körül. Ezzel egyikük sem üti meg a mércét ahhoz, hogy USP bolygókká minősíthessük őket, azonban még így is mindegyikük gyorsabban kering, mint a Naprendszer legbelső bolygója, a Merkúr, mely 88 nap alatt kerüli meg egyszer a Napot. A külsőbb bolygók rendre 5, 33,1 és 15,1 földtömegűek, így valószínűsíthető, hogy a TOI-500c földszerű, a d és e jelű bolygók azonban Neptunusz-szerűek. (A mi Naprendszerünk-beli Neptunusz kb. 17 földtömegű.)
A TOI-500b tehát rendkívül közel kering napjához, felszíne forró, olvadt. Bolygó ilyen közel a csillagához nem keletkezhetett mindennapi módon. Egy átlagos bolygó a csillag kialakulását követő néhány millió év alatt, a csillagot körülvevő gáz- és porkorongból alakul ki, folyamatosan növelve méretét az idő előrehaladtával. A csillaghoz közel azonban a magas hőmérséklet miatt ez a protoplanetáris korong túl meleg és nem elég sűrű ahhoz, hogy benne a bolygókeletkezés meginduljon. Sőt, a csillaghoz legközelebb egy nagy lyuk van a korongban, mert onnét a csillag fénynyomása és részecskesugárzása kisöpri az anyagot. Hogy alakulhatnak ki mégis ilyen kisméretű bolygópályák?
– Azt biztosan tudjuk, hogy nem alakulhattak ki ilyen közel a csillagukhoz – mondta el nekem Csizmadia Szilárd. – Mindenképpen külsőbb pályákról kellett idekerülniük. Azt sem tudjuk, milyen bolygók voltak eredetileg: lehettek például jupiterek, amelyek túl közel kerültek a csillaghoz, így a csillag elszipkázhatta az anyagukat (Roch-lebeny kitöltés). Az is lehetséges, hogy Neptunusz méretű bolygók voltak, külső jég- és gázrétegüket elpárologtatta a csillag nagy hője, vagy lehettek kőzetbolygók, melyek valamilyen migrációs mechanizmus segítségével belsőbb pályára kerültek.
A klasszikus bolygómigrációs elméletekben a protoplanetáris korong jelen van még a rendszerben, a bolygók a korongot alkotó gáz- és porrészecskék révén közegellenállást érzékelnek. Ennek hatására perdületük csökken, így egyre közelebb jutnak a csillagukhoz, mígnem idővel a protoplanetáris korong anyaga teljesen be nem épül a rendszer bolygóiba, aszteroidáiba, vagy el nem párolog a csillag sugárzása miatt.
A TOI-500 rendszerben azonban nem beszélhetünk klasszikus migrációról, ugyanis ebben a rendszerben a mérések szerint a migrációs folyamatok több milliárd év alatt mentek végbe. A klasszikus migráción kívül kétféle lehetőség adódik:
– A migráció történhetett heves (violens) módon: például két bolygó ütközött a rendszerben és ez az egyiket beljebb lökte, vagy bolygó-bolygó szórási esemény következett be – azaz két bolygó annyira közel haladt el egymás mellett, hogy legalább az egyikük pályája jelentősen megváltozott -, esetleg egy barna törpe vagy egy csillag elhaladt a közelben és annak gravitációs perturbációs hatására került közelebb a bolygó a csillagához.
A bolygók vándorlása azonban történhet nyugodt módon is: – Alapvetően az időskála a fő különbség a nyugodt és az erőszakos eset között, ugyanis a nyugodt esetben évmilliárdok alatt vándorol el a bolygó az eredeti pályájáról a mostanira, az erőszakos esetben viszont évek, évtizedek, legfeljebb évszázadok alatt kerül oda. Nyugodt esetben a bolygó tömege, mérete akár változatlan is maradhat. Ezzel szemben ütközéskor a bolygó anyaga jelentős részét elveszítheti, vagy éppen növekedik azáltal, hogy elnyelheti a másik bolygó egy részét vagy egészét.
A nyugodt migráció tehát fontos szerepet játszhat a rövid periódusú bolygók kialakulásában, annak ellenére, hogy eddig nem tartozott az általánosan elfogadott elméletek közé. A most felfedezett négyesrendszerben is valószínűleg ilyen nyugalmas, lassú folyamatok játszódtak le.
– Az a tény, hogy négy bolygót is találtunk, és mindegyik közel körpályán keringett, azonnal jelezte, hogy egy stabil, nyugodt rendszerről van szó. Mivel a csillag kora is viszonylag idős, látszott, hogy a stabilitás hosszútávon fennmaradt.
A most felfedezett bolygók nagyon jó pontossággal egy síkban keringenek, excentricitásuk pedig kicsi, ezzel is utalva a vándorlás lassúságára: egy ütközés vagy közeli elhaladás ugyanis perturbálja a pályákat, aminek következtében az pályaexcentricitás és -inklináció megnő, a bolygó akár el is hagyhatja a rendszert. Egy ilyen esemény után az excentricitás közel zérusra csökkenése évmilliárdokig is eltarthat, vagy sosem következik be. A TOI-500b esetében a bolygó kétmilliárd év alatt került új pályájára egy közel statikus (kvázisztatikus) vándorlással. A csillagtól mért távolsága nagyon, de nagyon lassan csökkent, excentricitása pedig mindig zérushoz közeli maradhatott, vagyis végig közel körpályán keringett. A nyugodt migráció azonban nem csak ezért lehet fontos mechanizmus:
– Ha lassan változnak a bolygópályák, akkor a bolygó hosszú ideig a lakható zónában maradhat, ha viszont hirtelen változik, akkor egészen biztos, hogy a rajta esetleg kialakult élet kihal, vagy létre sem jön. A korábban említett hosszútávú stabilitás is előnyös a lakhatóság szempontjából, mert ahol heves migrációs folyamatok működnek, megtisztíthatják a lakhatósági zónát, így nem marad ott bolygó. Bár ebben a rendszerben egyik eddig ismert bolygón sem valószínű az élet jelenléte…
Arról, hogy a belső bolygók nyugodt migráció révén kerültek ilyen közel a csillaghoz, numerikus szimulációkon keresztül győződhetünk meg. A kutatócsoport ötmilliárd éves időskálán követte végig a rendszer fejlődését különböző kezdeti feltételek mellett, ezzel igazolva, hogy valószínűleg nyugodt migráció vezetett a mostani bolygókonfiguráció kialakulásához. Fontos, hogy a megfigyeléseket elméleti szimulációkkal is párosítsuk, csak akkor érthetjük meg igazán a rövid periódusú bolygók – és a természet egyéb folyamatainak – működését, ha ezek összhangba kerülnek.
Azoknak, akik saját szemükkel is megnéznék ezt a különleges rendszert, van egy rossz és egy jó hírünk:
– A TOI-500 a Puppis csillagkép legdélebbi részén található, deklinációja -47°, innen nézve éppen nem megfigyelésre alkalmas. Délebbi szélességekről már jól látszik – bár e bolygókat közvetlenül a hivatásos csillagászok még a legnagyobb műszerekkel sem látják –, a csillag vizuálisan 10,5 magnitúdós. Így akár egy 6,5-7 cm-es amatőrtávcső is elég a megpillantásához – mondta el a csillagász.
Források:
A cikk: https://www.nature.com/articles/s41550-022-01641-y.
Angol nyelvű összefoglaló a Torinói Egyetem honlapján: https://www.unitonews.it/index.php/it/news_detail/toi-500-four-planet-system-peculiar-migration-process.
Az első szerző, Luisa Maria Serrano posztdoktori ösztöndíjas kutató élményszerűen elmesélt tapasztalatai: https://astronomycommunity.nature.com/posts/toi-500b-a-usp-rocky-planet-in-a-4-planet-system-with-a-quiet-migration-process.
