1. oldal

A hidrogénnél és a héliumnál nehezebb elemek ‒ vagyis a csillagászati értelemben vett fémek ‒ a csillagok belsejében keletkeznek, és szupernóva-robbanásokkal kerülnek ki a világegyetembe, ahol aztán ‒ ha a körülmények kedvezőek ‒ különféle égitestekké állnak össze. Felmerül azonban a kérdés, hogy mióta van a világegyetemben elég fém ahhoz, hogy abból bolygó formálódjon, vagyis mikor keletkezhettek az első ilyen égitestek?

Egy bolygó keletkezéséhez rengeteg nehezebb elemre van szükség. Az a csillagköd például, amelynek anyagából a Nap és a bolygók keletkeztek, többek közt vasat, szilíciumot és magnéziumot tartalmazott, vagyis a kőzetbolygók alapanyagait, ezeken felül szén, oxigén, nitrogén, kálium és számos egyéb, az élet későbbi kialakulásához nélkülözhetetlen elem is előfordult benne. A csillagközi gáz- és porfelhő teljes anyagmennyiségéhez képest azonban mindezen elemek csak nyomokban fordultak elő, hiszen annak 74 százalékát hidrogén, 24 százalékát pedig hélium alkotta. A tudósok feltételezései szerint azonban az említett nebula olyan hatalmas volt, hogy elég nehezebb elemet tartalmazott legalább harminc szülőbolygónkhoz hasonló égitest felépítéséhez is.

Mint már említettük a csillagászati értelemben vett fémek a csillagok belsejében keletkeznek, és a szupernóvák robbanásainak lökéshullámai repítik ki ezeket a külvilágba. Ezek eredményeként a csillagközi térbe egyre több „bolygó-alapanyag” kerül. A tényleges bolygóképződéshez azonban a nehezebb elemeknek el kell érniük egy minimális mennyiséget, vagyis számos csillag élete és halála kellett ahhoz, hogy az első bolygókhoz elegendő nyersanyag állon rendelkezésre.

A Föld a Nap protoplanetáris korongjának anyagából keletkezett 4,54 milliárd évvel ezelőtt, ami bárhogy is nézzük, meglehetősen régen történt. A világegyetem maga viszont még ennél is sokkal vénebb, 13,7 milliárd évvel ezelőtt keletkezett, vagyis a Naprendszer csak az univerzum történetének legutóbbi harmadában lépett színre. Elviekben könnyen elképzelhető tehát, hogy már sokkal korábban is keletkeztek kőzetbolygók a Napnál idősebb csillagok körül, amennyiben elegendő építőanyag állt rendelkezésre ezek létrejöttéhez.

A legutóbbi időkig a szakértők úgy vélték, hogy ez utóbbi feltétel az ősrobbanást követően hosszú ideig nem teljesült, vagyis az univerzum létezésének első 6‒7 milliárd évében egyszerűen nem tartalmazta a kellő mennyiségű nehezebb elemet ahhoz, hogy kőzetbolygók keletkezhessenek benne. A korai exobolygó-kutatások is megerősítették ezt a feltételezést, mivel leginkább a Naphoz hasonló vagy annál nagyobb fémességű (a nehezebb elemek és a hidrogén aránya) csillagok környékén találtak ilyen égitesteket. Kiderült azonban, hogy az exobolygó-vadászat korai időszakában túlságosan is a könnyen felfedezhető bolygók kerültek lencsevégre, vagyis eleinte jellemzően központi csillagukhoz közel keringő gázóriásokat fedeztek fel a szakértők. A Kepler űrtávcső 2009-es fellövésével azonban jelentősen megváltoztak az elképzelések arról, hogy miféle csillagok is rendelkezhetnek bolygókkal.

A Kepler mostanáig 2321 lehetséges bolygót fedezett fel, és ennek több mint a harmada kisebb méretű kőzetbolygó. A Jupiter-méretű vagy annál nagyobb gázóriások már csak az ismert exobolygók 11 százalékát teszik ki, a többi pedig ismeretlen összetételű, Neptunusz-méretű égitest. Az űrtávcső tehát jelentősen átformálta az exobolygók természetéről alkotott képünket, hiszen működésbe lépése előtt a Naprendszerünkön kívüli ismert kőzetbolygók megszámlálására egy kezünk is elegendő lett volna. A Kepler segítségével megtalált kőzetbolygók központi csillagainak vizsgálata szintén érdekes eredményekkel zárult.

„Úgy találtuk, hogy a kisebb bolygók jelenléte nincs olyan szoros összefüggésben csillaguk fémességével, mint ahogy azt a gázóriások esetében megfigyeltük” ‒ mondja Lars Buchhave, koppenhágai Niels Bohr Intézet munkatársa. A kutató és nemzetközi tudóscsoportja 150 olyan csillag színképét vizsgálta meg, amelyek körül összesen 226, a Kepler által azonosított bolygójelölt kering. A kutatás eredményeiről először az Amerikai Csillagászati Társaság júniusi konferenciáján, majd a Nature oldalain megjelent tanulmányukban számoltak be a szakértők.

 

2. oldal

„Első pillantásra érthetetlennek tűnik, hogy a kőzetbolygók miért függenek kevésbé a csillag fémességétől, mint a gázóriások” ‒ mondja Anders Johansen, a svédországi Lund Obszervatórium csillagásza. Ha azonban belegondolunk abba, hogyan is keletkeznek a bolygók, máris világosabb a kép, folytatja a kutató. A gázóriások formálódásával kapcsolatban több lehetőség is felmerül. Egyes elméletek szerint a protoplanetáris korong gázanyagának sűrűsödéseiből 2‒3 millió év alatt létrejönnek az óriásbolygók, a hátrahagyott szilárd részecskékből álló törmelékkorongból pedig néhány tízmillió év alatt a Földhöz hasonló kőzetbolygók keletkeznek.

Más teóriák értelmében viszont a gázóriások nem az említett csillagszerű módon keletkeznek, hanem szükségük van egy szilárd bolygócsírára. Az a tény, hogy az óriásbolygók magasabb fémességű csillagok körül fordulnak elő, egyértelműen ezt az elméletet támasztja alá. Eszerint tehát a gázóriások először is egy a Föld tömegének tízszeresét kitevő központi magot építenek ki maguknak, ami aztán maga köré gyűjti az útjába kerülő gázokat. Az alacsonyabb fémességű rendszerekben nincs elég anyag az ehhez szükséges masszív mag keletkezéséhez, így csak kisebb kőzetbolygók képesek formálódni. Johansen magyarázata szerint a kőzetbolygók valójában alapanyag hiányában befejezetlenül maradt gázóriás-magok.

Az alacsony fémességű csillagok környéke tehát ideális terep lehet az élet keresésére, mivel ezek esetében jóval kevesebb gázóriással kell számolni. A legtöbb extraszoláris óriásbolygó úgynevezett forró jupiter típusú, vagyis rendkívül közel kering központi csillagához. A jelenleg érvényesnek tartott bolygóformálódási elméletek értelmébe ezen égitestek nem keletkezhettek keringési helyükön, hanem jóval távolabbról vándoroltak a csillag közelébe. Johansen elmondása szerint egyre több csillagász ért egyet abban, hogy ezek az égitestek a gáz gravitációs hatása vagy súrlódása, esetleg más bolygókkal való közeli találkozások következtében veszíthettek perdületükből, és így egyre közelebb kerültek központi csillagukhoz. Egy ilyen befelé tartó gázóriás viszont minden bizonnyal jelentősen módosította az útjába kerülő kisebb bolygók pályáját, akár ki is vethette ezeket a rendszerből.

„Ha egy Jupiter-típusú bolygó megindul a csillaga felé, és útközben szanaszét szórja a kisebb kőzetbolygókat, az eredményül kapott rendszerben nem igazán lesz értelme élet után kutatni” ‒ mondja Buchhave. Ezen logika alapján viszont a korai világegyetem sokkal kellemesebb terep lehetett az élet számára, hiszen még nem léteztek a gázóriások.

Amennyiben elfogadjuk, hogy a kőzetbolygók kialakulásához nincs szükség magas fémességre, sőt: a nehezebb elemek ritkább jelenléte optimálisabb az élet potenciális kialakulásához, akkor a világegyetemet megvizsgálva egészen új területeket találunk ennek lehetséges megvalósulásához. A galaxisok belülről kifelé gyarapodnak, vagyis a nehezebb elemek legnagyobb mennyiségben a központi területeken találhatók. A korábbi elméletek értelmében a csillagrendszerek magtól távolabb fekvő spirálkarjai a sivár pusztákkal voltak egyenértékűek, hiszen úgy vélték a szakértők, hogy ezen részeken nincs elegendő nyersanyag a bolygók és így az élet létrejöttéhez. Ha azonban fémességet, mint kulcstényezőt kivesszük az egyenletből, jelentősen megnövekszik az egyes a galaxisok lakhatósági zónája, vagyis az a terület, ahol elviekben kőzetbolygók keletkezhetnek.

Az előzőleg felvázolt elmélet szerint tehát a kőzetbolygók formálódásához jóval kevesebb nehezebb elem szükséges, mint ahogy előzőleg feltételezték a szakértők. Ez viszont egyúttal azt is jelenti, hogy a világegyetem egészen korai szakaszában, akár 12 milliárd évvel ezelőtt is keletkezhettek ilyen égitestek.

Azt egyelőre nem tudni, hogy mennyi fém jelenléte szükséges minimálisan a bolygókeletkezéshez. A kutatók szerint mindenképp lennie kell egy határnak, hiszen egy bizonyos szint alatt egyszerűen nincs elég nyersanyag egyetlen kőzetbolygó létrejöttéhez sem. Egy a Nap fémességének tizedével rendelkező csillag esetében például nehéz elképzelni bármiféle bolygókeletkezést, azonban más faktorokat is figyelembe kell venni. A világegyetem kezdeti időszakában rendkívül gyors ütemben formálódtak a csillagok. Egymilliárd évvel az ősrobbanás után évente négyezer naptömegnyi csillag létrejöttével kalkulálnak a kutatók, szemben a Tejútrendszer jelenlegi három naptömegnyi termelékenységével.

10‒12 milliárd évvel ezelőtt egy átlagos csillag nagyjából a Nap fémességének tizedével rendelkezett, mondja Johan Fynbo, a kutatás egyik résztvevője. A csillagközi tér azonban a gyakori csillagkeletkezéseknek köszönhetően folyamatosan gazdagodott nehezebb elemekkel, így nem egyetlen csillagon állt vagy bukott egy adott terület fémességének kérdése. 

3. oldal

A világegyetem hajnalán létező kőzetbolygók ideája kapcsán mindenképp szót kell ejteni a Fermi-paradoxonról is. Enrico Fermi 1950-ben fogalmazta meg először a látszólagos ellentmondást a Földön kívüli civilizációk létezésének magas becsült valószínűsége és az ilyen civilizációk létezésére utaló bizonyítékok hiánya között.

A paradoxon feloldására leggyakrabban azt az érvet szokták felhozni, hogy az életre alkalmas kőzetbolygók kialakulásához szükséges fémességi szintet hosszú időbe került elérni, így a Nap lehet az első csillagok egyike, amely ilyen kísérőkkel rendelkezik. A mostani kutatás fényében azonban úgy tűnik, hogy a kozmikus történelem szinte bármelyik pillanatában létrejöhettek életre alkalmas bolygók. Újra felmerül tehát a kérdés: hol vannak a többiek? Persze ha az élet valóban kialakult volna valahol 12 milliárd évvel ezelőtt, az azóta kifejlődött intelligens civilizációk (feltéve, hogy még léteznek) több milliárd évvel előttünk járnának. Valószínűleg kisebb gondjuk is nagyobb lenne annál, minthogy mi történik ezen az isten háta mögötti sárgolyón, és inkább azzal lennének elfoglalva, hogy energiát nyerjenek ki a fekete lyukakból vagy más, számunkra elképzelhetetlen dolgokat műveljenek.

Akad azonban pár dolog, amely sehogy sem illik bele a fenti elméletbe. 2010-ben a heidelbergi Max Planck Intézet kutatói egy gázóriásra bukkantak egy olyan alacsony fémességű csillag körül, hogy az valószínűsíthetően a világegyetem korai időszakában keletkezhetett. A kétezer fényévnyire található HIP 13044 egy valamikori törpegalaxis egyik tagja, amelyet 6‒9 milliárd évvel ezelőtt kebelezett be a Tejútrendszer.

Az idei évben ugyanezen kutatócsoport tagjai egy másik alacsony fémességű csillagot is felfedeztek, amelynek két gázóriás kísérője is van. A HIP 11952 hidrogén- és héliumtartalma alapján 12,8 milliárd éves, vagyis mindössze 900 millió évvel az ősrobbanás után keletkezett. Egyelőre rejtély, hogyan keletkezhettek óriásbolygók egy ilyen alacsony fémtartalmú csillag körül. A szakértők szerint elképzelhető, hogy a gázóriások más módon is létrejöhetnek, mint ahogy azt eddig feltételezték. Mindenesetre úgy tűnik, hogy a világegyetem egyes területein szinte a kezdetek kezdete óta adott volt a lehetőség óriásbolygók keletkezésére.

Johan Fynbo és kutatócsoportja további érdekes felfedezéseket tett, amikor egy 12 milliárd éve létezett galaxist vizsgált. A halovány csillagrendszer kémiai összetételét egy háttérbeli kvazár (csillagszerűnek tűnő rádióforrás) segítségével állapították meg, és oxigén, kén, szén, valamint egyéb nehezebb elemek nyomaira bukkantak. Egy ennyire ősi galaxis kémiájának sokkal egyszerűbbnek kellett volna lennie, a kutatók azonban a Naphoz hasonló fémességi szintet mértek a rendszerben, méghozzá a távoli galaxis külső vidékein is, mintegy 52 ezer fényévnyire a galaxismagtól. A Tejútrendszer hasonlóan távoli területein ennél jóval alacsonyabb a nehezebb elemek aránya, így érthetetlen, hogy egy ilyen korai galaxis hogyan lehet ennyire gazdag fémekben.

A legjobb magyarázat egyelőre az, hogy csillagvihar következett be a galaxisban, vagyis a csillagok olyan gyors ütemben keletkeztek a központi régióban, hogy a csillagszelek és a szupernóva-robbanások kirepítették a nehezebb elemeket a távolabbi régiókba. Ilyen magas fémességi szint mellett könnyen elképzelhető óriásbolygók képződése is, és bár Lars Buchhave már említette, hogy milyen nehézségeket okozhatnak a gázóriások a kőzetbolygóknak, saját Naprendszerünk a példa rá, hogy akadnak olyan óriásbolygók is, amelyek keletkezési pályájukon maradnak, és nem zavarják szomszédaik köreit. És persze vannak olyan rendszerek is, amelyek puszta létükkel rúgnak fel minden elképzelhető teóriát.

„A Kepler 20 jelű csillag öt bolygóval rendelkezik” ‒ mondja Fynbo. „Három közülük Szaturnusz-méretű, kettő pedig a Földhöz hasonló kőzetbolygó, és mindezek pályái nagy‒kicsi‒nagy‒kicsi‒nagy sorrendben követik egymást. Ha egy Szaturnuszhoz hasonló gázóriás bevándorolt a legbelső pályára, hogyan lehetséges, hogy a kőzetbolygók pályái stabilak maradtak?”

Sok rejtélyt tartogat tehát az univerzum, de egy dolog bizonyosnak tűnik: a kőzetbolygók létrejöttéhez szükséges nyersanyagok már rövid idővel az ősrobbanás után is rendelkezésre álltak, így az élet kialakulásának lehetősége jóval megelőzte bolygónk születését. Elvileg elképzelhető tehát, hogy előttünk évmilliárdokkal már civilizációk születtek és haltak ki, de ugyanígy lehetséges az is, hogy a földi élet egy soha meg nem ismétlődő kozmikus véletlen eredménye. Talán egyszer választ kapunk erre is.