Egy különleges, ultrakönnyű és nagyon kicsi exobolygót fedezett fel egy nemzetközi csillagászcsoport, ami ráadásul szokatlan pályán mozog. A felfedezés ténye mutatja, hogy a rendkívül kis tömegű és a Földnél kisebb méretű exobolygók felfedezése is valósággá vált mára, miközben olyan alapvető tulajdonságaikat, mint tömegüket, sugarukat és csillagkörüli pályájukat nagy pontossággal tudják már mérni a kutatók. Az új bolygó a legkisebb exobolygók egyike.

VCSE - A GJ 367b (balra fenn) egy vörös törpecsillag körül kering. Művészi fantáziarajz az újonnan felfedezett bolygórendszerről. - Forrás: SPP/Patrizia Klein
VCSE – A GJ 367b bolygó (balra fenn) egy vörös törpecsillag körül kering. Művészi fantáziarajz az újonnan felfedezett bolygórendszerről. – Forrás: SPP/Patrizia Klein

Az exobolygók között egy pehelykönnyűt talált egy 78 kutatóból álló csillagászcsapat. Az újonnan felfedezett exobolygó neve GJ 367b, tömege a Földének kb. a fele, mérete a Földének a 71%-a. Mindezekkel az adatokkal a ma ismert mintegy 5000 exobolygó között ez a planéta az egyik legkönnyebb és legkisebb. Mindössze nyolc óra alatt – még pontosabban: 7 óra 43 perc alatt – kerüli meg a csillagát, ennyi ideig tart ott az év hossza. Átmérője mintegy 9100 km. Ezzel a mérettel kisebb a Földnél, de nagyobb a Marsnál. 31 fényévre van a Naprendszertől, közelsége okán ezért ideális célpont további részletes vizsgálatok céljaira. A GJ 367 bolygórendszer a Vela csillagképben található, amely a déli égbolt egyik konstellációja.

A felfedezésről a magyar szakportálok közül beszámol pl. a csillagaszat.hu és az urvilag.hu is, de szemlézte a Nature magazin is. A felfedezésről szóló cikk a Science magazinban jelent meg.

A felfedezést a világ egyik vezető tudományos folyóirata, az amerikai Science magazin tette közzé 2021. december 3-i számában. Az egyes tudományos folyóiratok presztízse és idézettsége nagyon eltérő. A Science a Nature-rel együtt a legnagyobb presztízsű lapok között van, impakt faktora kb. 42. A beküldött cikkek mindössze 7%-át fogadják el közlésre, ezzel is válogatva, mi számíthat tágabb, a szűk szakmán túlmutató közérdeklődésre. (Az ott nem közölt eredmények általában végül más, egy adott területre specializálódott folyóiratban jelennek meg, amit a szűkebb szakmai közösség olvas – tudományos eredmény, felfedezés tehát nem vész el.) Az, hogy a legnagyobb tudományos lapok egyike közli a felfedezést, mutatja azt, hogy a tudományos közösség – nem csak a csillagászok! – az egyik legfontosabb, legérdekesebb felfedezésnek tartja az objektumot.

A közlemény első szerzője Kristine Wai Fun Lam posztdoktori ösztöndíjas, egy hongkongi-brit asztrofizikus, második szerzője Csizmadia Szilárd magyar csillagász. A cikkben olvasható módon egyenlő mértékben járultak hozzá az eredményekhez („Equally Contributed”). Mindketten a németországi Német Lég- és Űrkutatási Központ Bolygókutató Intézetének Exobolygók és Légkörök osztályán dolgoznak (DLR-EPA: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Planetenforschung, Abteilung Extrasolar Planeten und Atmospheren). A közlemény 76 további szerzője között Michel Mayor 2019. évi fizikai Nobel-díjas svájci csillagász is megtalálható.

Az egy napnál rövidebb periódusidejű exobolygókat ultrarövid-periódusúaknak nevezzük. (Ultrashort-period planets, USP-k). A GJ 367b is ebbe a csoportba tartozik.

VCSE - A Föld, a GJ 367b és a Mars méretarányosan egymás mellett egy képen. Az újonnan felfedezett GJ 367b egy szubföld, vagyis Földnél kisebb átmérőjű bolygó. - Forrás: wikipedia/Román Dávid
VCSE – A Föld, a GJ 367b és a Mars méretarányosan egymás mellett egy képen. Az újonnan felfedezett GJ 367b egy szubföld, vagyis Földnél kisebb átmérőjű bolygó. – Forrás: wikipedia/Román Dávid

Normál csillag körül az ismert legrövidebb keringésidejű bolygó a K2-137b, amely mindössze 4,3 óra alatt járja körbe csillagát. Ezt 2017-ben fedezték fel szintén a DLR-EPA kutatói (Smith, Cabrera, Csizmadia és munkatársaik). Halott csillagok, úgy mint fehér törpék, továbbá pulzárként mutatkozó neutroncsillagok körül találtak még rövidebb keringésidejű bolygókat is. A legrövidebb keringésidejű bolygók közül az egyik talán a Gaia 14aaeb lehet, amely 50 perc alatt járja körbe csillagát. E Gaia-bolygó és a csillag tulajdonságait azonban nem ismerjük ma még (pl. tömeg, sugár stb.)

Tömegének és a sugarának pontos megmérésével az derült ki, hogy a GJ 367b a kőzetbolygók csoportjába tartozik” – mondta el Kristine Lam, és hozzátette: „A földszerű bolygóknak nevezett csoportba tartozik, és kutatásunk egy további lépést jelent abba az irányba, hogy egyszer találhassunk egy »második Földet«”.

Egyre kisebb bolygók felé

A csillagászat és az asztrofizika egyik vezető mai területe az exobolygók kutatása. (A másik vezető terület a kozmológia, extragalaktikus csillagászat.)

Az első exobolygók felfedezése óta több, mint egy negyed évszázad telt már el. A nagy, gázszerű, forró Jupiterek felfedezéséről a hangsúly a kisebb méretű bolygók keresése és méretük, tömegük meghatározása felé tolódott el az utóbbi években. Az exobolygók – vagyis Naprendszeren kívüli, más csillagok körül keringő bolygók – egyre több típusa került elő, köztük olyanok is, amik a mi Naprendszerünkben nem fordulnak elő, mint például: forró Jupiterek, forró Neptunuszok, szuperföldek. Utóbbiak a Földnél nagyobb, kb. 1-10 földtömegű kőzetbolygókat jelentenek.

VCSE - Tömeg-sugár diagram - Forrás: DLR/Kristine Lam
VCSE – Az ismert legkisebb tömegű exobolygók helyzete a tömeg-sugár diagramon. A tömegek földtömegekben, a sugarak földsugarakban vannak kifejezve. A színek a bolygók becsült felszíni egyensúlyi hőmérsékletét jelölik, amit a központi csillagok besugárzásából számítunk (nem feltétlenül ez a hőmérséklet van a felszínükön!). A háromszögek periódusváltozásokból (ún. TTV-kből, Transit Timing Variations-ból) mért tömegeket jelentenek, ezek bizonytalan értékek. A körök biztosan ismert, radiális sebességgörbékből meghatározott tömegértékekre utalnak. Lehet látni, hogy a GJ 367b nem a legkisebb tömegű exobolygó (az L98-59b kisebb tömegű nála), de méretét tekintve a legkisebb, biztos tömegmeghatározással bíró exobolygó. Az egyes vonalak azt jelentik, hogy milyen tömeg-sugár összefüggés érvényes különböző kémiai összetételekre. Pl. a fekete szaggatott vonal olyan bolygókat jelentene, amelyek 100%-ban vasból állnának. Természetesen egy-egy bolygó két vagy több különböző anyagú köpennyel is bírhat, és kevert kémiai összetétele is lehet. Forrás: DLR/Kristine Lam

Az utóbbi mintegy tíz-tizenkét év legsikeresebb exobolygó-felfedezési módszere az átvonulások keresése. (A mellékelt videó nagyszerűen elmagyarázza, mit jelent és mit okoz az, ha egy bolygó tőlünk nézve a csillaga elé kerül, kis részét kitakarja a csillagnak és ezért fénycsökkenést okoz.) A GJ 367b-t is bolygóátvonulásokkal, idegen eredetű szóval a tranzitmódszerrel fedezték fel. A felfedezéshez a NASA TESS űrszondáját használták. A TESS a Transiting Exoplanet Survey Satellite, vagyis a tranzitáló (csillaga előtt átvonuló) exobolygókat kereső műhold rövidítése.

A pici, gyorsan mozgó USP-exobolygók keresése

Az USP-exobolygók két csoportba sorolhatók: a nagytömegű, USP forró Jupiterek, és a kistömegű, Föld-méret körüli „kőzet-USP”-k csoportjába. A kettő között nincs semmi, talán egyszerűen elpárologtak. Ezek az USP-k közel vannak a csillagukhoz, sok hőt kapnak tőlük, ezért a köztes bolygók külső rétege egyszerűen elpárologhatott. A kis kőzetbolygók forrpontja magas, ezért túlélnek, a nagy Jupiterek felszíni gravitációja pedig elég erős ahhoz, hogy a légkört hosszú időn át ilyen hosszú időn keresztül is megóvja az elszublimáltatás ellen.

A GJ 367b is az USP-k közé tartozik, hiszen keringésideje 24 óránál rövidebb.

A GJ 367 rendszer néhány fontosabb adata

Csillag:

V-sávbeli fényesség: 10,153 magnitúdó

Távolság: 9,41 parszek (kb. 31 fényév)

Effektív hőmérséklete: 3522 K

Tömege: 0,454 naptömeg

Sugara: 0,457 napsugár

Spektráltípusa: M1V

Bolygó

Keringésideje: 0,321962 nap

Radiális sebességgörbe amplitúdója: 79,8 cm/s

Bolygótömeg: 0,546 földtömeg

Bolygósugár: 0,718 földsugár

Excentricitás: 0

Bolygó átlagos sűrűsége: 8,1 g/cm3

(A hibahatárokhoz lásd a Science-cikket!)

A bolygó átlagosan 3,41 csillagsugár-távolságban kering a csillagától, ez megfelel kb. 1 millió 85 ezer km-es távolságnak a csillagtól.

Már ismerünk jó pár hasonló exobolygót, mint a GJ 367b, de hogy ezek a bolygók hogyan alakultak ki, az egy rejtély.” – hallottuk Kristine Lamtól. „Mivel a GJ 367b a Marshoz közel esik méretében, akár »szupermars«-nak is nevezhetnénk, de végül a szubföld megnevezést választottuk, ami „Föld alatti”-méretű bolygót jelent.” A TESS-adatokban a tranzitjel felfedezése után a földfelszínről rengeteg radiális sebességgörbe-mérést gyűjtöttek az Európai Déli Obszervatórium Chilében található, 3,6 méteres távcsövére szerelt HARPS-spektrográfjával. A TESS és a HARPS méréseit együttesen analizálva a tömeg és a méret meghatározható volt.

Szubjupiteri sivatag
VCSE – Az ismert exobolygók periódus-tömeg – diagramja. A fekete szaggatott vonalakon belüli, háromszög alakú területen alig vannak bolygók. Ezt nevezik szubjupiteri sivatagnak, vagy más néven sub-Jovian desertnek. Valószínűleg a bolygó-csillag kölcsönhatások miatt az ide bekerülő bolygók elpárolognak, vagy más módon semmisülnek meg. A GJ 367 a szubjupiteri sivatag alatt található (1 jupitertömeg = 317,8 földtömeg)- Forrás: Eigmüller et al. (2019)

Nagypontosságú tömeg- és sugármérések

A GJ 367b jelű exobolygó sugarát 7%, a tömegét 14% pontossággal határozták meg a kutatók. Ehhez Artie Hatzes, Németországban dolgozó amerikai csillagász FCO-módszerét (Floating Chunk Offset-módszer) kombinálták a Csizmadia Szilárd által speciálisan exobolygókra kalibrált fotometriai wavelet-alapú zajszűrő módszerrel. Az is elképzelhető, hogy egyszer ezek a módszerek még a távközlésben, jelvizsgálatban, valamilyen jelfeldolgozással kapcsolatos gyakorlati alkalmazásban szerepet kapnak, hiszen a zajszinthez közeli, nagyon pici jeleket kellett kihámozniuk az adatsorokból és azt pontosan modellezni a bolygóparaméterek meghatározásához! Ilyen pontosság pedig szükséges ahhoz, hogy a bolygó tulajdonságairól, belső szerkezetéről többet mondhassunk.

A GJ 367 rendszerét a TESS műhold 2019. február 28. és március 27. között mérte. Néhány archív HARPS-adat a 2000-es évek elejéig visszamenőleg elérhető volt, de a bolygó olyan kistömegű, hogy ezekből csak közelítőleg lehetett meghatározni, hogy hány földtömegű. Ezért hosszú, két évre kiterjedő mérési sorozatba kezdtek a kutatók a HARPS-szal, hogy nagyon sok radiális sebességgörbe adatot gyűjtsenek össze. A HARPS egy 3,6 méteres távcsőre szerelt nagyon pontos spektrográf, amivel a csillagok radiális sebességét és színképét lehet mérni. A távcső és a spektrográf az Európai Déli Obszervatóriumé (European Southern Observatory, ESO). A TESS fotometriájából lehetett a bolygó sugarát, a HARPS méréseiből a tömegét megmondani.

TESS, GJ 367
VCSE – A GJ 367 jelű csillagnak a TESS műhold által mért fényességei (fekete pöttyök) az idő függvényében. Az idő napokban van feltüntetve, és ha 2 450 000-t adunk hozzá, akkor baricentrikus Julián Dátumban kapjuk (egy osztás a vízszintes tengelyen megfelel egy napnak). Az adatsor közepén az adatmegszakadás azért van, mert akkor töltik le a TESS-ről az adatokat, és a kapacitás nem elég arra a műholdon, hogy egyszerre észleljen is és adatokat is küldjön a Földre. Ezek az adatok rejtik a GJ 367b exobolygó tranzitjelét, amit hosszas munkával lehetett benne megtalálni. – Forrás: Lam, Csizmadia et al. (2021)
Fénygörbe
VCSE – A zöld görbe a bolygó tranzitmodelljét jelenti. A piros görbe a tranzitmodell + zajmodell együttesét. – Forrás: Lam, Csizmadia et al. (2021)
Binnelt
VCSE – Ha a zajmodellt levonjuk a fénygörbéből, és az így kapott fénygörbe-pontokat (szürke) átlagoljuk (kék pontok hibahatárokkal), akkor egyből és látványosan feltűnik a tranzit. A piros vonal az illesztett tranzitmodell, ami a bolygó csillagtávolságával és a bolygó sugarával is kapcsolatban áll. – Forrás: Lam, Csizmadia et al. (2021) A csillag radiális sebességgörbéjét a Science-ben közölt cikk tartalmazza, amplitúdója 79,8 +/- 11 cm/s.

A GJ 367b kistömegű, kőzetszerű bolygó. Átlagos sűrűsége 8,1 gramm/köbcentiméter, ami nagyobb a Föld átlagsűrűségénél (5,5 gramm/köbcentiméter). Az exobolygó sűrűsége a vaséhoz hasonlító, ami 7,8 gramm/köbcentiméter. „Az exobolygó nagy sűrűsége arra utalhat, hogy talán sűrű vasmagja van” – magyarázta Csizmadia Szilárd. „A bolygó nagyon hasonlít a Merkúrhoz e tekintetben, amelynek szintén aránytalanul nagy vas-nikkel magja van. Ez a tulajdonsága különbözteti meg a Merkúrt a Naprendszer többi kőzetbolygójától.”

A bolygó olyan közel kering a csillagához, hogy 500-szor több hőt kap a csillagától, mint a Föld a Naptól. A felszíni hőmérséklet a bolygó nappali oldalán elérheti az 1500 °C-t is. A vas a Földön 1535 °C-on olvad meg, de vákuumban már 900 °C körüli hőmérsékleten. A perovszkit (CaTiO3) kivételével gyakorlatilag minden megolvad ilyen magas hőmérsékleten. Emiatt a GJ 367b még nem a „második Föld” – de a tény, hogy szubföldeket, vagyis Földnél kisebb exobolygókat fel tudunk már fedezni, jó lépés abba az irányba, hogy egyszer a Föld „ikertestvérét” is megtaláljuk. Ezen a csillagászok azt a bolygót értik, ami egy napszerű csillag körül kering egy éves keringésidővel, annak lakható zónájában, és a lehető legjobban hasonlít a Földre belső szerkezetét, kémiai összetételét, felszíni vizeit és légkörét illetően. (A “lakható zóna” alatt azt a távolságtartományt értik a csillagászok, hogy ha minden egyéb feltétel is teljesül, akkor egy ott lévő bolygó meg tudja tartani a felszínén a folyékony víztengereket, nem fog befagyni (ha túl távol van a csillagtól), és nem fog elforrni, elpárologni, ha túl közel van a csillaghoz. Erről a VEGA 104-ik számában írtunk, a 12. oldaltól kezdve.) Vajon van-e ilyen másik bolygó a Galaxisban – ez a csillagászat egyik aktuális, nagy tudományos kérdése.

Vörös törpecsillag körül

A GJ 367b a GJ 367 jelű csillag körül kering – ez egy 0,45 naptömegű és 0,45 napsugarú vörös törpecsillag. Felszíni hőmérséklete csak 3522 K (a Napé 5772 K), ezért vöröses színben látszik ragyogni. Közelsége (31 fényév) okán elég fényes, mintegy 10 magnitúdós, ezért kisebb távcsővel is látható a déli féltekéről.

Az ilyen, M-mel is jelölt színképosztályú vörös törpecsillagok gyakran mutatnak csillagfoltokat, flereket, kitöréseket. Ez megnehezítette a radiális sebességgörbe-analízisét és a fénygörbe vizsgálatát is. A vörös törpék körül átlagosan 2-3 bolygó kering, ezért várható, hogy a GJ 367 körül is találnak majd további bolygókat. A kutatócsoport részéről Csizmadia Szilárd elmondta a VCSE-nek, hogy a csillag láthatósága alatt folyamatosan végeznek további radiális sebességgörbe-méréseket, hogy a rendszerben megbúvó további bolygókat keressenek.

Forrás: a DLR sajtóközleménye és Lam, Csizmadia et al.: GJ 367b: A Dense Utra-Short Period Sub-Earth Planet Transiting a Nearby M dwarf c. cikke (Science, 2021). A cikk ingyenes változata itt elérhető.