1. oldal
A csillagok és a bolygók gáz- és porfelhőkből formálódnak, a folyamat részleteit azonban a mai napig homály fedi. A kilencvenes években még meglehetősen egyértelműnek tűnt a helyzet, a széles körben elfogadott mag-akkréciós hipotézis, avagy a bolygócsíra-elmélet szerint a bolygók születése kozmikus porszemcsék összetapadása révén kezdődik. A mikrométeresből néhány méteresre növekvő anyagcsomók aztán ütközések révén még nagyobbra nőnek, majd idővel elegendő tömegre tesznek szert ahhoz, hogy gravitációjuk révén magukhoz vonzzák az anyag aggregátumait. A csillag körül formálódó protoplanetáris korongban a központi égitesthez közeli pályákon kőzetbolygók jönnek létre, a hóhatáron túl pedig 5−10 földtömegnyi bolygócsírák, amelyek gáz gyűjtve maguk köré óriásbolygókká válnak.
Az elmélet kiválóan megmagyarázza, hogy a Naprendszer miért úgy néz ki, ahogy. Logikus magyarázatot ad a bolygópályák rendezettségére, és a nehéz elemekben gazdag kőzetbolygók, illetve a hidrogén- és héliumlégkörrel borított gázóriások világos elkülönülésére is. A kutatók pedig joggal feltételezték, hogy a fizika és a kémia törvényei az univerzum más részein is hasonlóan alakulnak, tehát az extraszoláris bolygórendszerek nagyon hasonló képet fognak mutatni, ha egyszer megpillantjuk ezeket.
Aztán a kilencvenes évek közepén megtalálták az első exobolygókat, amelyek azonban semmiben sem hasonlítottak a Naprendszerben megszokottakhoz. Kiderült, hogy az univerzum más részein Jupiternyi méretű gázóriások keringenek csillaguk közvetlen közelében, ahol a mag-akkréciós hipotézis szerint semmiképp sem keletkezhettek. Más bolygók hosszan elnyúló, elliptikus pályákon haladnak, sokszor nem is csillaguk egyenlítői síkjában, hanem ettől jelentősen kilengve. A bolygórendszerekkel kapcsolatban egy dolog bizonyossá vált: számtalan fajta létezik belőlük, és többségük korántsem olyan rendezett, mint szűkebb otthonunk.
A Kepler űrtávcső 2009-es felbocsátását követően aztán gyakorlatilag napról napra nőni kezdett az ismert exobolygók száma, így végre elegendő adat állt a rendelkezésre ahhoz, hogy statisztikai szinten szabályszerűségeket keressenek a szakértők a látszólagos káoszban. Az eredmények aztán még jobban aláásták a bolygócsíra-elméletet, hiszen kiderült többek közt, hogy a leggyakoribb megfigyelt bolygótípus − a méretében a Föld és a Neptunusz közé eső szuperföld kategória tagjai − nem is találhatók meg a Naprendszerben. Saját bolygórendszerünk egyszerűen elégtelen modellnek bizonyult annak demonstrálására, hogy mi folyik az univerzum más részein.
A kutatók persze próbálkoznak a régi elmélet módosításai révén rendet vágni a bolygórendszerek káoszában, de egyelőre nem igazán született olyan megoldás, amely igazi ígéretet hordoz. A tudományterületen jelenleg nem sok minden tűnik logikusnak és értelmesnek, mondja Norm Murray, a Kanadai Elméleti Asztrofizikai Intézet kutatója. Kevin Schlaufman, az MIT asztrofizikusa egyetért vele. Jelenleg nincs olyan elméletünk, amely mindenre magyarázatot adna, mondja a kutató.
A szakértők azért ragaszkodnak a bolygócsíra-elmélethez, mert a jelenségek egy részére kiváló magyarázatot ad. A bolygók minden jel szerint a csillagokba be nem épülő anyagokból formálódnak, a csillagok pedig főként a hidrogénből és héliumból álló felhőkből sűrűsödnek össze, míg végül magjuk belobban. Az anyag egy része azonban nem hullik bele a csillagkezdeménybe, hanem azzal együtt forogva vékony korongot képez a csillag egyenlítője mentén. A gázfelhőben szén, oxigén, nitrogén, szilícium és vas is akad, amely anyagok a korábbi csillaggenerációk belsejében keletkeztek azok életének vége felé, miután a magból kifogyott a hidrogén.
Ahogy a korong anyaga hűlni kezd, az elektrosztatikus erők, illetve a véletlen ütközések laza, majd egyre sűrűbb konglomerátumokba hajtják az elemeket, végül kialakulnak a bolygócsírák, amelyek már gravitációjuk révén gyűjtik magukba az útjukba akadó anyagot. A formálódó bolygókat a körülöttük lévő, egyre ritkásabb gáz keltette súrlódás csaknem tökéletesen körkörös pályára kényszeríti.
A folyamat a korong különböző részein eltérő eredményekkel zárul. A centrum közelében csak a magas olvadáspontú anyagokból összeálló bolygócsírák maradnak egyben, így itt vas maggal rendelkező kőzetbolygók képződnek, amelyek mérete a nehezebb elemek korlátozott mennyisége miatt nem túlságosan nagy. A korong csillagtól távolabb eső részein, a hóhatáron túl viszont bőségesen lehet építkezni a tömegével rendelkezésre álló könnyebb anyagokból. Tízszeres földtömeget elérve aztán a bolygócsíra maga köré gyűjti a környező hidrogént és héliumot is, és a Jupiterhez, illetve a Szaturnuszhoz hasonló óriásbolygókká duzzad. Ezek növekedése csak akkor áll meg, ha pályájuk környékérről összegyűjtötték az összes rendelkezésre álló gázt.
2. oldal
Amikor 1995-ben egy svájci kutatócsoport bejelentette az első Naphoz hasonló csillag körül keringő extraszoláris planéta felfedezését, kiderült, hogy a tökéletesnek tűnő elmélet mégsem magyaráz meg mindent. A szakértők radiális sebességméréssel vizsgálták az 50,1 fényévnyire található 51 Pegasi nevű csillagot, és egy közelben található bolygó gravitációs hatásait mutatták ki az adatsorok révén. Az információk alapján a bolygó tömegét 150 földtömegre becsülték, ami egyértelműen a gázóriások kategóriájába helyezte az égitestet. Az igazán furcsa azonban az volt, hogy az 51 Pegasi b katalógusjellel bejegyzett bolygó négy földi nap alatt kerüli meg csillagát, amelytől mindössze 7,5 millió kilométerre, vagyis 0,05 csillagászati egységre kering. Összehasonlításképpen a Merkúr Naptól mért távolsága 0,47 csillagászati egység.
A bolygóképződés elfogadott elmélete szerint az 51 Pegasi b jelenlegi pályája mentén a hűlő protoplanetáris korongban 2000 kelvin körüli hőmérséklet uralkodott, vagyis túlságosan forró volt a régió ahhoz, hogy a jég vagy a gázok megmaradjanak benne, amelyek pedig a gázóriások keletkezéséhez nélkülözhetetlenek. A meglepett csillagászok forró jupiternek keresztelték el az új bolygótípust.
Rövidesen egy egész sornyi hasonló planétára akadtak rá, amelyek a Jupiter tömegének legalább egyharmadával, legfeljebb tízszeresével rendelkeznek, és 0,03−3 csillagászati egységnyire keringenek csillaguktól. De egyéb furcsaságok is akadtak. A WASP−7b nem csillaga egyenlítője mentén, hanem poláris pályán kering, a HD 80606b erősen elliptikus pályán halad, hol 0,03, hol 0,8 csillagászati egységre van központi égitestjétől, a HAT−P−7b pedig csillaga forgásával ellenkező irányban kering.
2000-re a csillagászok 30 exobolygót azonosítottak, 2008 végére pedig 330-ra emelkedett az ismert Naprendszeren kívüli planéták száma. Aztán üzembe állt a Kepler űrtávcső, amely 150 ezer csillag fényességének változásait követte figyelemmel a fedési módszerrel kutatva a bolygók után. Ezzel már a korábbiaknál jóval kisebb tömegű égitestek jelenléte is kimutatható, így nem csoda, hogy a Kepler által fellelt bolygók száma jelenleg 974-nél jár, és további 4254 exobolygó-jelölt várja, hogy egy földfelszíni távcsővel megerősítsék létezésüket. A Kepler által talált jelöltek a legtöbb esetben tényleg bolygónak bizonyulnak, így ha a tendencia folytatódik, a következő években 5000 fölé emelkedhet az ismert exobolygók száma.
Az űrtávcső működésbe lépése óta tovább nőtt a Naprendszerhez szokott szemünk számára furcsának tűnő rendszerek száma is. A Kepler−56 rendszerében például két bolygó kering, az egyik 22, a másik 181 földtömeggel rendelkezik, és mindkettő pályasíkja 45 fokos szöget zár be a központi csillag egyenlítői síkjával. A Kepler−47-ben egy kettőscsillag körül keringenek a bolygók. A Kepler−36 két planétája közelebbi pályákon kering egymáshoz bármely más rendszerben megfigyeltnél, egyikük 14, a másik pedig 16 földi nap alatt kerüli meg a központi égitestet. Egyikük kőzetbolygó, és nyolcszor akkora sűrűségű, mint a döntően jégből álló másik. „Hogyan kerülhettek ennyire közel egymáshoz?” – teszi fel a kérdést Richardson. „És hogyan lehetnek ennyire eltérőek?”
A Kepler−11 rendszerében keringő hat bolygó közül öt az eddig felfedezett legkisebb és legkönnyebb planéták közé tartozik. Sűrűségük annyira alacsony, hogy csaknem tisztán jégből állhatnak, amelyben kisebb kamrákban nagy mennyiségű gáz rejtőzhet, mondja David Charbonneau, a Harvard–Smithsonian Asztrofizikai Központ szakértője. Az öt közül a legtávolabbi 0,25 csillagászati egységre kering a központi égitesttől.
A Kepler által „szállított” új bolygók végre arra is lehetőséget adtak, hogy statisztikailag elemezzék a kutatók a fellelt égitesteket. Az eddig felfedezett planéták három kategóriába esnek: forró jupiterek, egyéni sajátosságokkal bíró pályákon keringő óriásbolygók, illetve szuperföldek. A harmadik csoportba eső planéták általában több bolygót tartalmazó rendszerekben fordulnak elő, és 0,0006−1 csillagászati egységnyire keringenek csillaguktól. Periódusidejük pár órától 100 napig terjed. Bár a Naprendszerben ilyen égitest nem található, az eddigiek alapján a Naphoz hasonló csillagok 40 százaléka rendelkezik szuperfölddel, vagyis jelenlegi ismereteink szerint a leggyakoribb bolygótípusról van szó. A forró jupiterekből meglehetősen kevés van, mindössze a csillagok 1 százaléka körül kering ilyen égitest, a hosszú periódusú, excentrikus gázóriások aránya pedig 10 százalék körüli, mondja Joshua Winn, az MIT kutatója.
3. oldal
A kérdés már csak az, hogyan lehet a bolygók ezen fajtáinak létezését elméleti szinten megmagyarázni. Ahogy már említettük, átfogó elmélet egyelőre nincs ezzel kapcsolatban, ötletek viszont bőven akadnak. A forró jupiterek kapcsán például sokan úgy vélik, hogy azok a protoplanetáris korong külső részein, a hóhatáron túl keletkeztek, majd valamilyen hatásra csillaguk közelébe vándoroltak, és stabil pályára álltak körülötte. Az extrém forróság ellenére tömegük révén képesek voltak megtartani kiterjedt légkörüket.
Az excentrikus gázóriások vélhetően különféle gravitációs interakciók eredményeként álltak szokatlan pályákra. Ha több óriásbolygó is elkezdett vándorolni a rendszerben, ezek egymás közelébe kerülve kifejthettek olyan hatást, hogy az elliptikus és/vagy a csillag egyenlítői síkjához képest megbillent pályára küldje némelyiküket.
A szuperföldek létét ennél jóval nehezebb megmagyarázni. Egyrészt egyelőre nincs teljes konszenzus a kategória definíciójával kapcsolatban sem. Könnyen előfordulhat, hogy jelenleg szuperföldnek tartott bolygók némelyike olyan gázóriás, amelynek külső rétegei eltűntek a csillag közelsége miatt. A szuperföldek nagy mennyisége már önmagában is meglepő, hiszen az elfogadott elmélet értelmében a protoplanetáris korong centrális régiója nem tartalmaz elég anyagot ahhoz, hogy egy-egy rendszer több szuperföldet is létrehozzon.
A kutatók szerint az ennek ellentmondó rendszerek létére az lehet a magyarázat, hogy a csillagok körül formálódó anyagkorongok sem egyformák. Akadnak olyanok, amelyek központi régiójukban nagyobb anyagmennyiséget tartalmaznak, így ezek egymáshoz közel keringő, nagy méretű bolygókat képezhetnek. Egy másik elmélet szerint a szuperföldek a protoplanetáris korongok külső részein létrejövő bolygócsírákból képződnek, amelyek aztán valamilyen okból elkezdenek befelé vándorolni, és nagyobb égitestekké állnak össze.
Douglas Lin, a Kaliforniai Egyetem munkatársa nemrégiben előállt egy átfogónak tűnő elmélettel, amely minden eddig megtalált rendszer kialakulását megmagyarázhatja, bár egyes részletei még kidolgozásra szorulnak. A szakértő alapfeltevése, hogy a protoplanetáris korongok tömegeloszlása rendszerről rendszerre változik. A bolygók túlnyomó többsége a centrumtól távol keletkezik, majd befelé vándorolva, egymás pályáját is befolyásolva foglalják el stabil helyüket a csillag körül.
A teória sok szempontból biztatónak tűnik, egyetlen aprócska probléma akad csak vele: a csillagászok mindeddig egyetlen alkalommal sem találkoztak olyan bolygóval, amely éppen rendszerének belseje felé vándorol. Könnyen megeshet, hogy ezt nem is lehetséges megfigyelni, hiszen a fiatal csillagokat körülvevő gáz- és porkorongok belső történéseiből a jelenlegi technológiákkal nem sokat látni. Rejtély továbbá, hogy egy bármilyen okból befelé meginduló égitest milyen hatásra áll stabil pályára, és miért nem hullik bele csillagába.
A legnagyobb kérdés persze, hogy a Naprendszer miért különbözik ilyen mértékben szinte minden más eddig megfigyelt bolygórendszertől. Miért nincsenek benne szuperföldek, amelyek igen gyakoriak a hasonló csillagok körül? Miért nincsenek bolygók a Merkúr pályáján belül? Miért van benne azonos számú kőzetbolygó és gázóriás, amikor a legtöbb rendszer vagy az egyik típust, vagy csak a másikat tartalmazza?
Továbbra sem bizonyos persze az sem, hogy mennyire tér el valójában a Naprendszer az „átlagtól”. Az eredményeket ugyanis nagyban befolyásolja, hogy az exobolygók észlelésére használt módszerekkel csak bizonyos típusú rendszereket és bolygókat lehetséges kiszúrni. Ironikus módon ezen metódusokkal saját rendszerünket kívülről vizsgálva valószínűleg nem lennénk képesek abban bolygókat felfedezni, mivel a belül keringő égitestek túl aprók, a gázóriások pedig túlságosan hosszú periódussal keringenek ahhoz, hogy a fedési módszerrel észlelni lehessen ezeket.
Az eljövendő évek vizsgálatai talán segítenek megválaszolni a kérdések egy részét. A Kepler egy kicsit módosított stratégiával ugyan, de egyelőre úgy tűnik, hogy képes lesz folytatni az adatgyűjtést, egyre jobb földfelszíni távcsövek kémlelik az eget, és újabb űrtávcsövek is felbocsátásra várnak. A teoretikusok pedig közben tovább alakítgathatják elméleteiket, amelyekből lassan annyi fajta lesz, mint égen a csillag – vagy az exobolygó.
