Fehér törpecsillagok kialakulása

A csillagok életük jelentős részét azzal töltik, hogy magjukban fúziós folyamatok során hidrogént alakítanak héliummá. Ez utóbbi később újabb fúzió révén szénné és oxigénné alakul. Amennyiben a csillag tömege nem haladta meg Napunk tömegének nyolcszorosát, a fúziós folyamatok itt befejeződnek. Az ilyen csillagok életük végén ledobják külső rétegeiket. A folyamatosan táguló köpenyt planetáris ködnek nevezzük. Közepén egy sűrű, szénből és oxigénből álló csillagmag marad hátra, mely zsugorodni kezd, hőmérséklete pedig gyorsan emelkedik. Benne az atomok elveszítik elektronjaikat (ionizálódnak), az atommagok így rendkívül kis térrészre tudnak tömörülni. A gravitációnak már csak az elektronok degenerációs nyomása képes ellentartani, ennek segítségével kerül a mag újra egyensúlyba. Az ily módon kialakult csillagmaradványokat fehér törpéknek nevezzük.

A fehér törpék sugara a Földével összemérhető, átlagos tömegük 0,6-szerese a Napénak. Energiatermelés már nem zajlik bennük, így kialakulásuktól fogva folyamatosan hűlnek. A hűlés addig tart, amíg a csillag egyensúlyba nem kerül a kozmikus háttérsugárzás mindenkori hőmérsékletével. Ekkortól az objektumot fekete törpének nevezzük. A hűlési folyamat azonban hosszabb időt vesz igénybe, mint az Univerzum jelenlegi kora, így ma még nem figyelhetünk meg fekete törpéket.

Fehér törpék kialakulása
A kis tömegű csillagok életútja. Az életük végeztével kialakuló csillagmaradványt fehér törpének nevezzük. Forrás: Encyclopedia Britannica

Bolygók fehér törpék körül?!

A legtöbb érv amellett szólna, hogy fehér törpék körül nem találhatunk bolygókat stabil pályán. Amikor ugyanis egy kis tömegű csillag élete végéhez közeledve vörös óriássá fúvódik fel, elnyelheti a körülötte szűk pályán – kb. három csillagászati egységen (CSE) belül – keringő bolygókat. Az a kérdés továbbra is megválaszolatlan, hogy bolygók túlélhetnek-e a csillag híg köpenyében keringve.

Azonban nem csak a közel keringő bolygók számíthatnak sanyarú sorsra csillaguk életének végeztével. Amikor ugyanis a csillag lefújja-ledobja köpenyének jelentős részét, a tömegvesztés hatására a körülötte keringő bolygók pályája jelentős mértékben megváltozhat. Kepler III. törvényének megfelelően ez első sorban a pálya tágulását jelenti, ami sok esetben ahhoz vezet, hogy a bolygók elhagyják a rendszert. Ezen felül az esetlegesen túlélő bolygók a csillaguk fehér törpévé válása után is megzavarhatják egymás pályáit, így egymásba ütközhetnek, elhagyhatják a rendszert, vagy a csillagba eshetnek. Összességében tehát valószínűtlen, hogy egy fehér törpétől tíz CSE (Csillagászati Egység) távolságon belül keringő bolygót fedezzünk fel (összehasonlításképp: a Szaturnusz 9,5 CSE-re kering a Naptól).

És mégis, mára nem egy fehér törpe körül fedeztek fel bolygókat a kutatók! Az első, témához kapcsolódó felfedezés Stephen E. Thorsett és kutatócsapatának érdeme. Az elsőként 1993-ban észlelt bolygó azonban egy pulzár-fehér törpe rendszer (PSR B1620-26 AB) közös tömegközéppontja körül kering 23 CSE fél nagytengelyű pályán. Ez a rendszer ráadásul az M4 gömbhalmazban található, így fejlődése több szempontból is merőben különbözik a továbbiakban bemutatandó, magányos fehér törpék körül keringő bolygókétól.

Meglepetésként érte a tudományos közösséget Andrew Vanderburg és munkatársainak 2015-ös felfedezése, a WD 1856+534 fehér törpe esetében a TESS űrtávcső mérési adataiban bolygófedésre utaló jeleket találtak, amint a planéta periodikusan elhaladt a csillaga előtt. A WD 1856+534 rendszerről készült későbbi vizsgálatok során kiderült, hogy a felfedezett bolygó nincs egyedül: a rendszerben további öt (!) törpebolygó kering. Az égitestek körpályán keringenek, csillagukat csupán 4,5-4,9 órás periódussal kerülik meg, így pályájuk fél nagytengelye 0,005-0,0056 CSE-nek adódik. Az objektumok mind kis méretűek, átmérőjük 1-100 km közötti. (A Naprendszerben az ilyen méretű bolygók szinte kisbolygónak számítanának- A szerk.)

Ahogy az lenni szokott, az első felfedezést hamar sok másik követte. A WD 1856+534 rendszer feltérképezése óta további 11 bolygót fedeztek fel a kutatók fehér törpecsillagok körül. Közülük hat kis mérete és nagy sűrűsége alapján csakis kőzetbolygó lehet. Sőt, egyikük sűrűsége olyan hatalmas, hogy csakis egy kőzetbolygó vasmagjáról lehet szó. A felfedezett planéták mindegyike a fehér törpéhez közel kering, pályájuk fél nagytengelye csupán 0,003-0,36 CSE. A 11 felfedezésben benne foglaltatik továbbá egy jégóriás és négy gázóriás bolygó is. Egyikük igen távol kering a csillagtól (2500 CSE-re), kettő közepes (11, illetve 35 CSE), kettő pedig szűk pályán kering (0,02, illetve 0,07 CSE). Tömegük a Jupiter tömegének 2,5-14-szerese.

Adódik tehát a legfontosabb kérdés: hogyan kerülnek ide ezek a bolygók? Azon óriásbolygók esetében, melyek jelentős távolságra keringenek csillaguktól (11 CSE és felette), a pálya helyzete könnyedén magyarázható a csillag óriásági tömegvesztése során fellépő pályatágulás segítségével. Azonban a többi óriásbolygó, illetve a kőzetbolygók mindegyike rendkívül közel kering a csillagához.

Fehér törpecsillag körül keringő széteső bolygó
Egy fehér törpe körül keringő bolygó, mely éppen szétesőben van. Az elvesztett szilárd anyag a nagy hőmérséklet hatására szublimál, így por és gáz együtt alkot egy üstökösszerű csóvát.

Széteső bolygók, fémszennyezett csillagok

A kis fél nagytengelyű bolygók mind az úgynevezett Roche-határon belül keringenek: ilyen közel a csillaghoz a saját gravitációs erejük nem tud ellentartani a csillag által kifejtett árapályerőknek, és ezért feldarabolódnak. Valószínű tehát, hogy ezeket a planétákat szétesés közben figyelhetjük meg. Ezt alátámasztja az is, hogy amikor a bolygók elhaladnak csillaguk előtt, a csillag fényességének megváltozása aszimmetrikus. Utóbbi ugyanis egyértelmű jele annak, hogy a bolygókról anyag távozik el, vagyis egy porból vagy illó anyagokból álló, üstökösszerű csóvát húznak maguk után.

A Roche-sugáron belül tartózkodó bolygókkal rendelkező fehér törpék egy további különlegességet is mutatnak: légkörük fémekkel szennyezett. Egy fehér törpe felszínén a gravitációs gyorsulás jelentős, így a nehezebb elemek a csillag középpontjához közelebb találhatók. E szerint légkörükben, azokban a rétegekben, melyeket spektroszkópia segítségével még meg tudunk figyelni, csak a legkönnyebb elemeknek lenne szabad felgyülemleni: hidrogénnek és héliumnak. A fémszennyezett légkörű fehér törpék esetében azonban a fentieknél nehezebb elemeket lehet kimutatni a csillagok spektrumában. Az első fémekkel szennyezett atmoszférájú fehér törpét Adrian van Maanen fedezte fel 1917-ben. Azóta a legkülönfélébb elemek jelenlétét sikerült kimutatni több mint ötven fehér törpe légkörében, úgy mint: O, Na, Mg, Al, Si, P, Ca, Fe, Co, és Ni.

Egy égitest szétesése a Roche-sugáron.
Egy égitest szétesése a Roche-sugáron (fehér folytonos vonal). Időrendi sorrendben: bal felső panel: az égitest alakja a Roche-határ közelébe érve elnyúlik a csillag árapályerőinek hatására. Jobb felső panel: az égitest saját gravitációja nem tud ellentartani az árapályerőknek, így darabjaira hullik. Bal alsó panel: a keletkező törmelék a csillaghoz közelebb gyorsabban, attól távolabb lassabban kering, így az eredeti pálya mentén széthúzódik. Jobb alsó panel: a törmelék gyűrűt formál. Amennyiben a gyűrűben gáz is jelen van, a por és gáz a csillag felszínére esik a viszkozitásnak köszönhetően.

A fehér törpék légkörének fémszennyezettségét a következőképpen magyarázhatjuk: amennyiben egy bolygó a fehér törpe Roche-határán, vagy azon belül kering, anyagot veszít. Ez az anyag a csillag sugárzásának segítségével egyre szűkebb és szűkebb pályára kerülhet (Poynting-Robertson effektus). Ahogy egyre közelebb jut a csillaghoz, a hőmérséklet egyre növekszik, így a por gázzá szublimál. Ez a gáz aztán (a viszkozitás hatására) további pályazsugorodásnak lesz kitéve, és a csillagra hull. Így kerülnek tehát a csillagászati értelemben vett fémek a fehér törpe légkörébe, amivel magyarázhatóvá válik az anomális fémtartalom.

A fémes légkörű fehér törpék spektruma jól reprezentálja a szennyezőanyag összetételét. Az eddigi mérések alapján ezek összetétele hasonló a naprendszerbeli aszteroidákéhoz, illetve kőzetbolygókéhoz. Ez nem meglepő, hiszen a legtöbb, Roche-sugáron belül tartózkodó, szétesőben levő planéta összetétele is földszerű. Természetesen most is akadnak kivételek: két, a fehér törpéjük Roche-sugarán jócskán kívűl keringő gázbolygó központi csillaga szintén fémes légkörű. Adja magát a kérdés, hogy vajon ezekben a rendszerekben is vannak-e a Roche-határon belül keringő kőzetbolygók?

További érdekességképpen megjegyzendő, hogy a fehér törpék atmoszférájában fellelhető fémek izotóparányai alapján a közeljövőben az is megállapíthatóvá válhat, hogy a csillagba eső bolygón lemeztektonikai folyamatok is végbementek-e. Lemeztektonika természetesen csak kőzetbolygók felszínén lehetséges, azonban a Földön alapvető fontosságúak a szénkörforgás, és ezzel együtt az élet fenntartásához.

A téma iránt mélyebben érdeklődők remek összefoglalót olvashatnak Dimitri Veras 2021-es cikkében. A fémszennyezett légkörű fehér törpék témakörét ugyanő 2016-os összefoglalójában járja körül bővebben.

 

Jelen írás nem születhetett volna meg Dr. Regály Zsolt kitartó témavezetői munkája és mérhetetlen odaadása, valamint a Konkoly Csillagászati Intézet demonstrátori programjának és a Kulturális és Innovációs Minisztérium ÚNKP-23-2 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatása nélkül.

A Zalai Hírlap c. lap podcastet készített Egyesületünk titkárával, Jandó Attilával, a The Universe to Youths (Az Univerzumot a fiataloknak) c. ERASMUS+ projektről, a csillagászati ismeretterjesztésről, az amatőrcsillagászat hangulatáról… Az interjú az alábbi linken érhető el:

INTERJÚ JANDÓ ATTILÁVAL

VCSE - Jandó Attila a VCSE 46 cm-es távcsövét igazítja - Fotó: Csizmadia Szilárd
VCSE – Jandó Attila a VCSE 46 cm-es távcsövét igazítja – Fotó: Csizmadia Szilárd

VCSE - Ezz az, ami Bánfalvi Péterre oly' sok jupiterév alatt jellemző volt mindig is, és még ma is (és reméljük sokáig): rengeteg embernek mutatta meg a Holdat egy 100/1000-es távcsővel - Fotó: Csizmadia Szilárd (2013. április 15., Zalaegerszeg)
VCSE – Ez az, ami Bánfalvi Péterre oly’ sok jupiterév alatt jellemző volt mindig is, és még ma is (és reméljük sokáig): rengeteg embernek mutatta meg a Holdat egy 100/1000-es távcsővel – Fotó: Csizmadia Szilárd (2013. április 15., Zalaegerszeg)

 

Bánfalvi Péter zalaegerszegi amatőrcsillagász, nyugalmazott iskolaigazgató, matematika-fizika-számítástechnika szakos tanár. A Tudományos Ismeretterjesztő Társulat Öveges József Egyesülete elnöke, a Vega Csillagászati Egyesület elnökségi tagja, Hettyei-díjas. (Valamikor a Csillagászat Baráti Köre vezetőségi tagja is volt.) Kb. 50 éve tart már járdacsillagászatot (eredeti nevén: távcsöves bemutatókat), 2019-ig évente 30-60 alkalommal – 2020-ban az ismert járványügyi korlátozások miatt csak féltucatszor. De tervezi a visszatérést ehhez a tevékenységéhez. Talán Péternek a mára már Zalában legendává vált 100/1000-es Zeiss AS-refraktorral tartott távcsöves bemutatói és Juhász Tibor csillagászati szakkörei és Albireo-lapja alapozták meg az évtizedek alatt az itteni aktív amatőrcsillagászati életet, amiből több hivatásos csillagász is kikerült már.
Péter ezenkívül lelkes ismeretterjesztő is, rengeteg szakkört és nagyközönségnek szóló alapfokú előadást tartott a most már több, mint négy jupiterkeringésnyi idő alatt, amióta első csillagászati ismeretterjesztő tevékenységét végezte. Számtalan interjút adott a helyi médiának. A modern eszközöket ugyanúgy használja, mint bármelyik fiatal.

Olvasd tovább

VCSE - Távcsöves bemutató 2020. aug. 10-én a zalaegerszegi Dísz téren
VCSE – Távcsöves bemutató 2020. aug. 10-én a zalaegerszegi Dísz téren

A VCSE is csatlakozott a Csillagvizsgáló-blog által meghirdetett programsorozathoz. E szándékunkról hírt adott az országos (MTV1, DUNA TV a Balatoni nyár című műsorában) és helyi sajtó (ZTV, Egerszeg Rádió, Zalai Hírlap) is, és honlapunk is.

Olvasd tovább