Óriásbolygó egy fiatal csillag körüli porkorongban
Szerzõ: Kovács József | 2008. január 04., péntek
Egy alig tízmillió éves csillag körüli porkorongban mintegy 10 jupitertömegû óriásbolygót mutattak ki, ami megerõsíti a bolygók gyors keletkezésérõl szóló elképzeléseket.
A szakemberek között egyetértés mutatkozik abban a kérdésben, hogy a bolygók fiatal csillagok körüli porkorongokban alakulnak ki, a folyamat részletei azonban még nem tisztázottak. Szintén kérdéses a bolygókeletkezés idõskálája is, ezért egy porkorongba ágyazódó fiatal csillag körüli bolygó detektálása mindenképpen figyelemre méltó esemény. Ez történt most a közeli, körülbelül 8-10 millió évesre becsült TW Hydrae esetében, melynek sokat tanulmányozott protoplanetáris korongjában egy 10 jupitertömegû bolygót mutattak ki 0,04 csillagászati egységre központi csillagától, a csillag és porgyûrû közötti üres részben. Az óriás planéta keringési ideje mindössze 3,56 nap. A ma ismert körülbelül 270 exobolygó közül ez az elsõ, amelyik ilyen fiatal csillag körül kering, s léte megerõsítheti azt a közeli infravörös és a milliméteres hullámhosszakon végzett észleléseken alapuló feltételezést, hogy a bolygók a csillaguk születése utáni 10 millió éven belül kialakulnak, mielõtt a létrejöttükhöz szükséges port és gázt a csillagszél és a sugárnyomás kifújná a csillagközi térbe.
Fantáziarajz a TW Hydrae rendszerérõl a porkoronggal és a belsõ, kisöpört zónában keringõ óriásbolygóval.
[Johny Setiawan]
Az exobolygók detektálásának legeredményesebb módszere a központi csillag jól megválasztott színképvonalainak periodikus Doppler-eltolódásából származtatott ún. radiálissebesség-görbe elemzése, melybõl az egyébként láthatatlan kísérõ legfontosabb paraméterei (keringési ideje, pályájának mérete, tömegének alsó határa) megbecsülhetõk. Ez a módszer azonban fõleg a Naphoz hasonló, kevéssé aktív csillagukhoz nagyon közeli pályán keringõ óriásbolygók esetében hatásos, ezért a nagy, radiális sebességek maghatározását célzó felmérésekbõl eddig a fiatal, általában jelentõs aktivitást mutató csillagokat kizárták. A legfiatalabb csillag, amely körül ilyen módszerrel eddig bolygót detektáltak, 100 millió éves.
A Johny Setiawan (Max-Planck Institut für Astronomie, Heidelberg) vezette kutatócsoport az ESO La Silla-i obszervatóriumában üzemelõ 2,2 méteres teleszkópra szerelt FEROS (Fibre-fed Extended Range Optical Spectrograph) száloptikás echelle spektrográfot használta a sebességgörbéket eredményezõ nagyfelbontású színképek elkészítéséhez. A megfigyelésekbõl kizárták azon színképvonalak környezetét, melyekben a fiatal csillag nagy aktivitást mutat. Ilyenek például az ionizált kalcium H és K vonala, a hidrogén Hβ és Hα vonala, valamint a semleges hélium és nátrium vonalai. Az eredményül kapott radiálissebesség-görbék periódusanalízise a 3,56 napos periódusnál jelzett egy szignifikáns csúcsot. Ezt a jelet egy ilyen keringési idejû bolygókísérõn kívül okozhatják még csillagfoltok, de akár a csillag nemradiális pulzációja is. Az elsõ esetben a színképvonalak periodikus eltolódása minden vonal esetében kimutatható, s a vonalak alakját nem befolyásolja, míg az utóbbi két lehetõségnél a vonalak profilja is változik, befolyásolva ezzel a radiális sebességek mérését is. A csoport eredményei szerint a TW Hydrae esetében a 3,56 napos változás majdnem szinuszos, s a sebességek nem korrelálnak a fényesség, illetve a csillagaktivitás egyéb nyomjelzõinek változásaival, így legvalószínûbb magyarázat a kísérõ jelenléte. Tömegének alsó határa 1,2 jupitertömeg, de ha figyelembe veszik azt a korábbról, például a Hubble Ûrteleszkóp méréseibõl ismert tényt, hogy a porkorongra majdnem merõlegesen látunk rá (i ≈ 7°), akkor tömegére 9,8 jupitertömeg adódik, igaz meglehetõsen nagy, 3,3 jupitertömeg bizonytalansággal.
Az elméletek szerint a bolygók a csillagok körüli por- és gázkorongokban alakulnak ki mikrométer nagyságú porszemcsék ütközései révén. Ezen folyamat során a mikroszkópikus részekbõl elõször a bolygómagok jönnek létre, melyek – elegendõen nagy tömeget elérve – nemcsak magukhoz vonzzák a gázt a korongból (akkréció), s ezzel ki is söprik a protoplanetáris diszk körülöttük lévõ részét, de a tömegváltozás miatt sugárirányban befelé is mozognak (migráció). Az óriásbolygók kialakulásának egy másik lehetséges módja a korongban létezõ gravitációs instabilitások körüli kondenzáció. A jelenlegi modellek megengedik a TW Hydrae b-hez hasonló nagytömegû bolygók létrejöttét, de nem világos, hogy ehhez elegendõ-e az elsõ típusú keletkezési folyamat, vagy a korongbeli gravitációs instabilitások is szükségesek hozzá. A TW Hydrae kísérõje valószínûleg a korong külsõbb részén keletkezett a csillagtól 1-4 csillagászati egység távolságra, majd elkezdett befelé vándorolni, miközben a korong belsõ régiójában jelentõs mennyiségû gázt vonzott magához. A befelé irányuló mozgás akkor állhatott le, amikor a korong optikailag vékony részét elhagyva átlépte a csillag körüli belsõ gázmentes zóna körülbelül 0,06 csillagászati egységre lévõ határát. Ezen zóna kialakulásának egyik lehetséges oka a csillag mágneses tere.
A TW Hydrae rendszerének sematikus rajza. Az új bolygó a csillagtól 0,04 csillagászati egységre egy kisöpört részen belül kering. Ezen kívül helyezkedik el a porkorong, melynek belsõ része vékonyabb, külsõ része pedig vastagabb.
[Setiawan és társai]
A TW Hydrae rendszere direkt kapcsolatot teremthet a porkorongok fejlõdési és a bolygók kialakulási mechanizmusai között, illetve ideális alanya lehet a bolygómagok kialakulását, a migrációt és az akkréciót modellezõ numerikus szimulációknak.
Az eredményeket részletezõ szakcikk a Nature c. folyóirat 2008. január 3-i számában jelent meg.