Elmélkedő csillagpor II. – A bolygókeletkezés kulisszatitkai – Fröhlich Viktória

Jelen cikksorozat előző részében betekintést kaptunk a Naprendszer és az exobolygó-rendszerek komplexitásába. A következőkben azt fogjuk áttekinteni, mi minden szükséges ahhoz, hogy a csillagközi anyagból végül bolygók szülessenek.

Bolygót csillagáról

Semmi sem keletkezik ok nélkül, hát még a bolygók! Ennek megfelelően a bolygókeletkezés oltárán először be kell mutatnunk egy áldozatot. A planéták születésének egyik (látványos) beindítója ugyanis gyakran egy csillag halála. A Napunknál legalább nyolcszor nehezebb csillagokban, miután leáll az energiatermelés, a mag összeomlik, és neutroncsillag vagy fekete lyuk marad utána. Utolsó leheletükként ezek a csillagok szupernóva-robbanásban vetik le külső rétegeiket. Amikor a több ezer kilométer per másodperces sebességgel száguldó anyag csillagközi molekulafelhőkkel találkozik, a gáz és por ütközése lökéshullámot indít el. A lökéshullám hatására a molekulafelhő egyensúlya megszűnik, és elkezd összehúzódni.

A zsugorodó csillagközi felhőben a hőmérséklet és a nyomás folyamatosan nő. A folyamat addig tart, míg a felhő magjában a hidrogén fúziója képes beindulni – azaz ki nem alakul a protocsillag. A felhő külsőbb rétegei közben tovább zuhannak a középpont felé. Az anyag egy része a mágneses pólusok mentén távozik látványos kiáramlások formájában, így idővel a protocsillag a porfüggöny mögül számunkra is láthatóvá válik. A csillag környezetében megmaradó gáz és por pedig a perdületmegmaradás következtében nem tud egyszerűen beleesni a csillagba, hanem egy koronggá lapul. Ezt nevezzük protoplanetáris korongnak, és ez a bolygók születésének közvetlen színtere.

Egy apró kitérőt engedjen meg a Kedves Olvasó: a nagy tömegű csillagok halála nem csak a felhők összehúzódásában, és így a bolygókeletkezés beindításában fontos. A bolygók jelentős része ugyanis nem hidrogénből és héliumból áll (bár az Univerzum legelső időszakában lényegében ezek, illetve némi deutérium, lítium, berillium voltak csak készleten). A minket is felépítő nehezebb elemek – szén, oxigén, vas, magnézium, kalcium, foszfor, stb. – a csillagok belsejében és a csillagok halálakor keletkeznek. A szupernóva-robbanások szórják szét ezeket az elemeket a Galaxisban, hogy később beépülhessenek a csillagok új generációjába, és a körülöttük keletkező bolygókba.

Bolygókeletkezés 5 lépésben

Vissza a bolygókeletkezés színpadára! A protoplanetáris korongok tömege tipikusan a csillag tömegének ezred-tized része. A bennük lévő anyag nagyjából 99% gáz és 1% por. Por alatt itt szilikátokat, jegeket és kondenzálódott anyagokat értünk. A korong a csillagtól távolodva általában egyre hidegebb (és sokszor felpuffadt, vastagabb).

A hőmérséklet szempontjából két fontos határvonalat érdemes megemlíteni. Az egyik a szublimációs határ: ezen belül egy adott anyag már csak gáz halmazállapotban tud létezni. A másik a hóhatár: ettől kifelé az illó anyagok (például a víz) kifagynak, és jég formájában megjelennek. Fontos: ezek a határok nem egyetlen, éles vonalat jelentenek, és anyagonként más-más távolságban húzódnak attól függően, melyik elemnek, molekulának mennyi hő kell a szublimáláshoz vagy a fagyáshoz.

A bolygókeletkezést leíró elméletek egyik legnagyobb kihívása annak megmagyarázása, miként jutunk el a korong mikrométeres porszemcséitől akár a Jupiterhez mérhető méretű bolygókig. Gondoljunk bele: egy óriásbolygó sugara nagyságrendileg 100 000 km, miközben a kiinduló építőkockák mikrométeresek. Ez körülbelül 13 nagyságrendnyi méretnövekedést követel meg!

Ráadásul nem elég, hogy a porszemekből bolygót kell gyúrni, ezt rendkívül gyorsan is kell tenni! Két jelenség ad kíméletlen időkorlátot. Az egyik a gázfékezés miatti befelé sodródás: a gázban mozgó porszemcsék közegellenállást éreznek, emiatt fokozatosan spiráloznak befelé, a csillag irányába. A másik a fotoevaporáció, azaz “fénypárolgás”: a csillagból (és a környezetből) érkező nagy energiájú fotonok beleütköznek és felgyorsítják a korong felső rétegeinek részecskéit, amelyek így elszökhetnek. Összességében egy tipikus protoplanetáris korong csak 3-5 millió évig él. Vessük ezt össze a Naprendszer 4,5 milliárd éves korával. Látható, hogy a bolygókeletkezés kozmikus léptékkel villámgyorsnak számít.

Problémák és megoldások

Hogyan áll össze mégis a rengeteg porszemcse előbb kavicsokká, majd aszteroidákká, végül bolygóóriásokká? A por a gravitációnak köszönhetően a korong középsíkja felé ülepedik. Közben más szemcsékkel ütközik, és az ütközések egy részében a szemcsék összetapadhatnak. A növekedést azonban két akadály is lassítja. Az egyik az úgynevezett méteres korlát: a nagyjából egy méter nagyságú testek azok, amelyek a legrövidebb idő – akár néhány száz év – alatt a csillagba sodródnak. A másik probléma a fragmentáció: ha a szemcsék és kavicsok relatív sebessége túl nagy, ütközéskor nem összetapadnak, hanem széttöredeznek. Vagyis egy lépés előre, kettő hátra…

Ezek fényében észszerű olyan helyeket keresni a korongban, ahol a por nagy koncentrációban gyűlik össze, és ahol az ütközések visszafogottabbak lehetnek. De hol sűrűsödik fel a por? Többnyire ugyanott, ahol a gáz! Ilyen kedvező zónák például a korong középsíkja, a már nagyobbra nőtt testek mögötti “szélárnyék”, valamint a korongban kialakuló örvények (anticiklonok) – utóbbira mindjárt visszatérünk. Kedvező körülmények mellett ezekben a porcsapdákban meglepően gyorsan állhatnak össze nagy tömegű bolygókezdemények. Az ilyen „csírákat” nevezzük planetezimáloknak.

A planetezimálok élete azonban nem csak játék és mese. Ahogy a nagyobb testek összegyűjtik a környezetükben a kisebb szemcséket, kavicsokat és aszteroidákat, a korong kiürül körülöttük. Idővel elérhetnek egy úgynevezett izolációs tömeget: ekkor a közvetlen környezetükben már nincs begyűjthető anyag, így a növekedés leállhat. Ezen felül a sok, egymást gravitációsan perturbáló planetezimál pályája instabillá válhat, így gyakoriak az ütközések. Ezek néha pusztítóak, de sokszor éppen ellenkezőleg! Az ütközések és összeolvadások segítségével kialakuló protobolygók tömege akár a Föld tömegének többszörösére is nőhet. A széteső, fel nem épülő testekből pedig különféle törmelékmezők maradhatnak hátra. Ilyen a Naprendszerben például a Mars és a Jupiter pályája közötti Aszteroidaöv, vagy a Neptunusz pályáján túl fellelhető Kuiper-öv.

Ezen a ponton két evolúciós ágat érdemes elválasztani. Az egyik ágon állnak a kőzetbolygók: ezek a csillaghoz közelebb alakulnak ki, ahol a magasabb hőmérséklet miatt kevés az illó anyag, és a fejlődés sokszor megreked a protobolygó-fázis környékén. Ettől még gyakran képesek vékony légkört maguk köré gyűjteni. A másik utat a gázbolygók képviselik: ha egy elég nagy tömegű mag kialakul, a bolygó hirtelen és hatékonyan kezdhet gázt befogni a csillagtól távolabb keringő koronganyagból.

Két megjegyzés kívánkozik ide. Egyrészt egyelőre nem bizonyított, hogy a Naprendszer bármely gázóriásának lenne kőzetmagja. Másrészt a csillagukhoz vészesen közel keringő forró Jupiterek eredete szintén heves vita tárgya. A gyors gázbegyűjtés következményeként az óriásbolygók képesek rést nyitni a korongban. A gond csak az, hogy a gázbefogás időskálája sok modellben összemérhető a korong élettartamával, ezért a kutatók ma is keresnek olyan folyamatokat, amelyek felgyorsíthatják a gázóriások kialakulását.

Néhány örvénylő gondolat…

Amennyiben egy bolygó környezetében még jelen van por és gáz, a bolygó növekedése közben visszahat a korongra. Ennek látványos jelei lehetnek a korongban megjelenő spirálkarok és gyűrűs szerkezetek. A gáz által keltett forgatónyomaték pedig a bolygók vándorlását, azaz migrációját indíthatja be. Sok esetben a nettó hatás befelé húzza a bolygót, ráadásul a korong élettartamához képest gyorsan. Ezért is olyan izgalmas és máig megválaszolatlan kérdés, miként menekülnek meg a bolygók attól, hogy egyszerűen beleessenek a csillagukba. Bizonyos helyzetekben azonban a por és a korong szerkezete olyan nyomatékot is létrehozhat, amely fékezi a befelé vándorlást, sőt akár kifelé toló hatás is előfordulhat. A migráció ugyanakkor segíthet is abban, hogy a bolygó az izolációs tömeg elérése után új területekről gyűjtsön anyagot, és tovább növekedjen.

Végül térjünk vissza egy kicsit a fentebb már említett örvényekhez! Sok protoplanetáris korong felvételén a kutatók jelentős aszimmetriát találnak. A korong nem egy szabályos “fánk”, fényessége helyről helyre változik. Ennek egyik oka lehet a korongban kialakuló örvény, amely a földi Ráktérítő térségében gyakori anticiklonok kozmikus rokona: olyan sűrűsödés, ahol a gáz és a por együtt felgyűlhet. Ezek a porcsapdák a bolygókeletkezés katalizátoraiként működhetnek, és segíthetnek megmagyarázni, hogyan zajlik le mindez még azelőtt, hogy a csillag elfújja vagy bekebelezi a bolygókat felépítő anyagokat.

Az írás alapjául szolgáló előadás 2023-ban a Visegrádi Mátyás Király Művelődési Házban, majd ugyanebben az évben a VEGA’23 táborban  hangzott el. Köszönet illeti Csizmadia Ákost a meghívásért.

Related posts:

Széteső bolygók fehér törpecsillagok körül – Fröhlich Viktória Élet nyomai egy bekebelezett bolygón? – Lemeztektonika a Földön kívül – Fröhlich Viktória Gondolatok exoholdakról és lakhatóságukról – Fröhlich Viktória Extrém körülmények között II. – Élet egy naptalan égbolt alatt? – Fröhlich Viktória Elmélkedő csillagpor I. – Hol vagyunk mi, és hol vannak mások? Vannak mások?! – Fröhlich Viktória