Óriások a Naprendszeren túl: a 10 legnagyobb ismert exobolygó – Csizmadia Szilárd

Milyen nagy lehet egy bolygó? Első pillantásra egyszerű kérdésnek tűnik, a válasz azonban korántsem az. Először is: tömegét vagy sugarát tekintve beszélünk a legnagyobbról? Másodszor: az ismert exobolygók között több olyan is akad, amely tömegében már a barna törpék tartományát súrolja. A jelenlegi rekordlisták élén ráadásul többnyire nem a „klasszikus” forró Jupiterek, hanem fiatal, közvetlenül lefényképezett, a csillaguktól nagy távolságban keringő planéták állnak.

A legnagyobb ismert exobolygók toplistája ezért nem pusztán rekordok gyűjteménye, hanem bepillantás a bolygók és a barna törpék közötti átmeneti tartományba is. Több objektumnál a besorolás, a sugár és a tömeg sem teljesen biztos, ezért a sorrend a jövőben még változhat. Természetesen, nem csak az eddig ismert adatok pontosítása rendezheti át a sorrendet, hanem új felfedezések is.

Csillagok és bolygók – meg a barna törpék

A csillagászatban a csillagok azok az égitestek, amelyek életének egy jó részében természetesen úton kialakuló magfúzió termeli azt a fényt és hőt (energiát), amit a felületükön elsugároznak. Ezért a csillagoknak saját fényük van, a saját maguk által előállított fénnyel világítanak. A modellszámítások szerint – kémiai összetételtől függően – a csillagok 75-80 jupitertömegnél nagyobb tömegűek. A csillagok 73-75%-ban hidrogénből, 24-25%-ban héliumból, 1-3 százalékban egyéb elemekből állnak.

A bolygók azok az égitestek, amelyek felszínén és belsejében természetes úton nem indul be a magfúzió. Ezért nincsen saját, magfúzióból eredő fényük. (A gravitációs összehúzódásukból felszabaduló hő a felszínükön infravörösben sugárzódik ki, ilyet például a Jupiternél és a Szaturnusznál is megfigyeltek. Az infravörös fényt azonban az emberi szem nem látja.) Azért látjuk a bolygókat (planétákat), mert visszaverik a csillaguk fényét. Úgy is mondjuk, kölcsönzött fényük vagy visszavert fényük van (nem számítva az előbb említett infravörös sugárzásukat). A “természetes” szónak itt azért van jelentősége, mert a fizikus ember mesterséges úton is létrehozott már magfúziót a Föld felszínén: békés energiatermelésre a fúziós reaktor-kísérletekben másodperceking, és még rövidebb ideig az agresszív hidrogénbombában. Egy bolygó maximális tömege – ugyancsak a kémiai összetételtől függően – 11-16 jupitertömeg lehet.

A csillagok és a bolygók közötti átmeneti tartományban helyezkednek el a barna törpék. Napszerű kémiai összetétel esetén (ami: 73,5% hidrogén, 24,9% hélium és 1,6% egyéb) a barna törpék alsó tömeghatára 13 jupitertömeg. Efeletti tömeg esetén a deutérium fúziója beindul. 65 és 75(80) jupitertömeg között a lítium és a hidrogén fúziója is beindul (a magban ionizált hidrogén formájában létezik, azaz csak hidrogén-atommagról van szó, azaz egy szabad protonról). Ez a folyamat a lítiumon kívül a protonokat is fogyasztja, és berillium keletkezik. Mind a deutérium-égés, mind a lítiumégés nagyon hamar abbamarad. (A csillagászatban a fúziót gyakran égésnek nevezik.) Csillagászati időskálán ez rövid ideig, csak mintegy százezer-kétszázezer évig tart. Ezért a barna törpék nem bolygók, mert természetes úton magfúzió beindul bennük. De nem is csillagok, mert a magfúzió csak epizódjellegű, nem pedig életük nagy részében tartó jelenség. A fúzió leállta után egyszerűen összehúzódnak az egyensúlyi sugarukra, ami kb. a Jupiter sugarával egyezik meg (tömegüktől majdnem teljesen függetlenül).

A deutérium egy protonból és egy neutronból álló hidrogénizotóp. Két deutériumból egy trícium (egy protonból és két neutronból álló hidrogénizotóp) és egy proton keletkezik. De létrejöhet belőle egy hélium-3 (két proton + egy neutron) és egy szabad neutron is. A deutérium és a trícium egyesüléséből (fúziójából) egy hélium-4 és egy szabad neutron keletkezik (hélium-4: két proton + két neutron). A deutérium és a hélium-3 egyesülése is hélium-4-t és egy szabad protont hoz létre. A deutérium fúziója alacsonyabb hőmérsékleten indul be, mint a hidrogén-1-é. Hidrogénégés (hidrogénfúzió) csak csillagokban zajlik természetes úton Ennek oka, hogy az egy protonból álló hidrogénatommagot egy másik hidrogénatommaggal egyesíteni jelentős nyomást igényel, mert le kell győzni a köztük lévő elektromos taszítást. A deutériumban lévő neutron kismértékben “leárnyékolja” az elektromos erőteret, így könnyebb a deutérium magokat “egymásba nyomni”.

Bolygók vagy már barna törpék? Miért ennyire nagyok ezek a világok?

A rekordlisták egyik gyakori első helyezettje a HD 100546 b, amelynél azonban különösen nagyok a paraméterekben lévő bizonytalanságok. Egyes adatbázisokban rendkívül nagy, közel 7 jupitersugarnyi méret is feltűnik, de valószínű, hogy ebben a bolygó környezetének fényes, poros anyaga is szerepet játszik. Az óvatosabb becslések inkább körülbelül 3,4 jupitersugarat eredményeznek. A központi csillag egy fiatal B9Vne típusú Herbig Be-csillag, nagyjából 358 fényévre. Maga a bolygó mintegy 53 csillagászati egységre található tőle. Ennél az objektumnál ma sem teljesen egyértelmű, hogy már kész bolygót, vagy inkább egy még kialakulófélben lévő világot figyelünk-e meg: sok csillagász tippel arra, hogy ez egy kialakulófélben lévő exobolygó, ami később majd kisebb méretűre zsugorodik össze.

A bolygók mérete ugyanis nem állandó. Hosszú évszázmilliók alatt ez is átrendezi a méretbeli sorrendjüket. A gázbolygók nagy, akár 3-4 vagy nagyobb jupitersugárral születnek, de kezdetben gyorsan, később lassabban összehúzódnak az egyensúlyi sugarukra. Az eközben felszabaduló gravitációs energia hő formájában (infravörös sugárzásként) távozik el belőlük. A legnagyobb exobolygók között csak gázbolygókat, illetve születőben lévő gázbolygókat találunk.

A jelenlegi listák élmezőnyében rendszerint a GQ Lupi b is szerepel. Ez a nagyon fiatal objektum körülbelül 3–4 jupitersugarú lehet, tömege pedig nagyjából 10 és 40 jupitertömeg közötti. A GQ Lupi csillag körül kering, amely egy K7Ve típusú T Tauri-csillag. A rendszer mintegy 493 fényévre található tőlünk. A kísérő közel 100 csillagászati egységre kering a csillagtól, ezért keringési ideje sok száz év. A rendszer különlegessége, hogy a GQ Lupi b volt az első közvetlenül lefényképezett exobolygójelölt, és környezetében anyagbefogásra (akkrécióra), illetve bolygó körül (cirkumplanetáris) anyagra utaló jeleket is találtak. Jó kérdés, hogy – a tömegmérés bizonytalanságát is figyelembe véve – ez az objektum nagy gázbolygó vagy kis-közepes barna törpe.

A legnagyobb ismert exobolygók között sok a fiatal, közvetlenül lefényképezett szuperjupiter. Ilyen az YSES-1 b, amelynek sugara közel 3 jupitersugár, tömege pedig nagyjából 14–22 jupitertömeg lehet. Mivel a tömegbizonytalanság nagy és kémiai összetételét sem tudjuk, nem világos, hogy bolygó vagy barna törpe. Egy fiatal K3 típusú csillag körül kering, mintegy 308 fényévre tőlünk, hatalmas, 146–162 csillagászati egység körüli távolságban. Hasonló az AB Aurigae b-hez, mely utóbbi egy fiatal A0Ve csillag körül mozog, attól körülbelül 94 csillagászati egységre. Ez a rendszer azért is különösen érdekes, mert a csillag körüli korong szerkezete arra utal, hogy itt a bolygókeletkezés akár gravitációs instabilitással is végbemehetett.

A lista további különleges tagja a HIP 79098 (AB)b, amely mintegy 2,6 jupitersugarú lehet, tömege viszont már 15–28 jupitertömeg közé esik. Ez az objektum az Felső-Skorpió csillagasszociáció (Upper Scorpius) egyik fiatal rendszerében található, és egy B9-es spektroszkópiai kettőscsillag körül kering. Már maga az is különleges, bár nem egyedülálló, hogy egy kettőscsillagot jár körbe. A kettős tömegközéppontjától mért távolsága mintegy 345 csillagászati egység, vagyis a keringési ideje több ezer év lehet. Itt különösen szembetűnik, hogy mennyire nehéz határt húzni a legnagyobb bolygók és a legkisebb barna törpék között.

A fiatal óriásbolygók közé tartozik a CT Chamaeleontis b és a DH Tau b is. A CT Cha b körülbelül 2,2–2,6 jupitersugarú, tömege pedig nagyjából 17 jupitertömeg lehet. Az objektum vajon barna törpe vagy bolygó? A kérdés nyitott. Csillaga egy K7Ve típusú T Tauri-csillag, a rendszer pedig körülbelül 625 fényévre található. A kísérő több mint 400 csillagászati egységre kering tőle. A DH Tau b szintén körülbelül 2,5 jupitersugarú lehet, és egy fiatal M0–M1 típusú csillag körül kering nagyjából 330 csillagászati egységre. Mindkét rendszerben találtak olyan jeleket, amelyek cirkumplanetáris korongra vagy összetett, molekulákban gazdag környezetre utalnak.

A toplistán ott van a PZ Tel b és a ROXs 12 b is. A PZ Tel b sugara körülbelül 2,4 jupitersugár, de tömege valószínűleg már inkább a barna törpék felé hajlik. Egy fiatal G9IV típusú csillag körül kering, mintegy 154 fényévre tőlünk, és a rendszerhez törmelékkorong is tartozik. A ROXs 12 b valamivel kisebb, nagyjából 2,2 jupitersugarú és körülbelül 16 jupitertömegű objektum, amely egy fiatal M0 típusú csillag körül mozog mintegy 210 csillagászati egységre. Érdekessége, hogy pályája feltűnően ferde lehet a csillagegyenlítőjéhez képest, ami szokatlan fejlődéstörténetre utalhat.

A lista egyik legismertebb, „klasszikus” tagja a HAT-P-67 b. Ez nem közvetlenül lefényképezett, fiatal óriás, hanem tranzitmódszerrel fedezték fel, azaz megfigyelték a csillag fényének fényességcsökkenését, ahogy a bolygó elhalad előtte. Egy rendkívüli mértékben felfúvódott forró Jupiter. Sugara körülbelül 2,14 jupitersugár, tömege viszont csak mintegy 0,45 jupitertömeg. Vagyis nem a tömege miatt nagy, hanem azért, mert a csillagához nagyon közel keringve erősen felhevül és „felpuffad”. Csupán 4,81 nap alatt kerüli meg F5IV típusú csillagát, amelytől mindössze 0,065 csillagászati egység választja el. A rendszer körülbelül 1200 fényévre van tőlünk. A HAT-P-67 b jól mutatja, hogy a „legnagyobb” nem feltétlenül a „legnagyobb tömegű”. Keringésideje mindössze 4,8 nap.

Az exoplanet.eu listáján az alábbi 10 exobolygó szerepel a legnagyobb sugárértékkel:

A jelenlegi rekordlistákon szerepel még több hasonló határeset, fiatal és nagy sugarú objektum is. Ezek közös tulajdonsága, hogy vagy még nem húzódtak össze végleges méretükre, vagy pedig a csillaguk közelsége miatt rendkívüli módon felfúvódtak. Ezért amikor a „10 legnagyobb exobolygóról” beszélünk, valójában két eltérő csoport keveredik: a fiatal, széles pályán keringő szuperjupiterek és a forró, felfúvódott gázóriások (ang. inflated planets).

A rekorderek listája messze nem végleges: a ma ismert sorrendet könnyen átírhatják új felfedezések és a bolygósugarak pontosabb, ismételt megmérése; és az sem világos, hogy a legnagyobbak között előforduló egyes esetek bolygók vagy barna törpék.  A legnagyobb exobolygók vizsgálata nemcsak különleges rekordokról szól, hanem arról is, hogy jobban megértsük: hol húzódik a határ bolygó és barna törpe között. Ezek az óriásvilágok arra emlékeztetnek bennünket, hogy a bolygórendszerek sokkal változatosabbak, mint amit a Naprendszer alapján elsőre gondolnánk.

Források: NASA Exoplanet Archive, exoplanet.eu, angol nyelvű Wikipédia

Related posts:

Mi okozhatja a Boyajian-csillag fényváltozásait? – Cs. Sz. 2021. januári észlelésajánló – Ágoston Zsolt, Csizmadia Szilárd, Kopeczny Zsuzsanna 2021. februári észlelésajánló – Ágoston Zsolt, Csizmadia Szilárd, Kopeczny Zsuzsanna Új hold születik a Szaturnusz gyűrűjéből? – Csizmadia Szilárd Messier-maraton: észlelési sorrend – Csizmadia Szilárd