KUTATÁS FÖLDÖN KÍVÜLI BOLYGÓK UTÁN BAJÁN IS? (Hegedüs Tibor, PhD, BKMÖ Csillagvizsgáló Intézet és PTE Csillagászati Külső Tanszék)

Átírás

1 KUTATÁS FÖLDÖN KÍVÜLI BOLYGÓK UTÁN BAJÁN IS? (Hegedüs Tibor, PhD, BKMÖ Csillagvizsgáló Intézet és PTE Csillagászati Külső Tanszék) Bevezetés A lakott világok sokaságának első kimondásáért még máglyahalál járt úgy négyszáz évvel ezelőtt (pontosan 1600-ban). A problémának nem pusztán szigorú értelemben vett tudományos súlya, hanem világnézeti, ideológiai jelentősége is nagy. Nem véletlenül voltak Giordano Bruno ( ) utolsó szavai a következőek: Nagyobb félelemmel hoztátok ti ezt az ítéletet, mint amilyen félelemmel én hallgatom (e szavait a halálos ítéletét kihirdető bíborosi testülethez intézte, de megjegyzendő, hogy nem pusztán a földi élet egyediségének trónfosztásáért, hanem egy sor más vallási dogmát megdöntő filozófiai tételéért is szenvedett máglyahalált). 1 Alig néhány évvel mindezek után Galilei égre irányzott távcsövével felfedezte a Vénusznak a Holdunkéhoz hasonló fázisváltozásait ezzel végső bizonyítékát adva az akkor még mindig tagadott kopernikuszi heliocentrikus világképnek. Majd felfedezte a Jupiter körül keringő holdacskákat is, amelyek magához az addig ismert bolygórendszerhez hasonlatos kis mini-rendszert alkottak csakhogy immáron a középpontjuk nem a Napban volt, hanem a Jupiterben Azonnal világossá vált, hogy nem csak hogy nem a Föld nincs a világ középpontjában, de a Nap sem végletesen kitüntetett szerepű: más égitest is játszhat hasonló szerepet! Galilei felfedezései, és meggyőződése jutalma már csak életfogytig tartó háziőrizet lett, életébe nem került. Azonban innentől a tudományos világszemlélet hatalmas lendületet kapott. Részben ennek (és ezeknek az elméknek) köszönhetően jutottunk el az Univerzum mélységeinek hiteles feltárásához. A mai asztrofizika A XIX. szd. elején a Francia Tudományos Akadémián még megdönthetetlennek hitt alapigazságként mondták ki, hogy márpedig a csillagok anyagát soha nem fogjuk megismerni Erre igen gyorsan rácáfolt a tudomány: 1825 körül már ismertté vált, hogy színkép-elemzési módszerekkel akár nagy távolságokból is kimutatható az egyes elemek jelenléte, lévén mindegyik elem csakis reá jellemző színkép-vonal sorozatot mutat. Ez a csillagok fényének felbontásakor is kimutatható. A XIX. szd. közepétől pedig már megjelent az embertől független, objektív fényrögzítési technika: a fotográfia. Hamarosan csillagok tízezreinek vették fel a színképét ezek vizsgálata során pedig felismertek bennük számtalan azonosságot, majd egymástól némileg különböző-, mégis egyfajta rendszer szerint sorozatba tudták elrendezni őket. A gyorsan szaporodó számban megfigyelt változócsillagok tulajdonságainak empirikus összefüggései alapján a XIX. szd. vége felé már sikerült megállapítani kozmikus környezetünk valódi méreteit: pl. az Androméda galaxis távolsága több millió fényévnek adódott Ez világunk megismerésében a Galilei-féle felfedezésekhez mérhető mérföldkő volt. Nem sokkal később, ragaszkodva a már megismert színképi szabályszerűségek igazságához, az égbolton az akkorra már ezerszámra megfigyelhető galaxisok eltérő színképvonal-eltolódásaiból Hubble kimutatta a megfigyelhető Univerzum tágulását. A XX. szd. eleje a felhalmozódott hatalmas megfigyelési anyag elemzése-, valamint addigra a maga útját járva szintén magas fejlettségre jutó matematika révén sorsfordító fizikai 1 A XX. szd. elhozta Galilei rehabilitációját a Pápa kihirdette a ítélet visszavonását, és hivatalosan is elismerte az egyház tévedését!

2 elméletek születtek meg, amelyek pl. épp a színképek törvényszerűségeinek megmagyarázása kapcsán feltárták a mikrovilág nem-folytonos viselkedését (kvantummechanika), egyszerűbb és átfogóbb leírását adták a gravitációnak (általános relativitáselmélet), valamint kiterjesztették a klasszikus fizika érvényességét (speciális relativitáselmélet). Ezek a világraszóló eredmények az elmélet és gyakorlat közötti állandó visszacsatolásnak köszönhetően egyre tökéletesebb mérőeszközök kifejlesztését is lehetővé tették! Mindezekért számtalan Nobel-díjat is kiosztottak Mindezen megfigyelési és elméleti eredmények a XX. szd. harmincas éveire a csillagászatnak is hatalmas lökést adtak, ami napjainkig sok más alapvető felismerés mellett az alábbi általunk ismertetni kívánt téma szempontjából kiemelendő nagy jelentőségű állításokhoz vezetett: kiderült, hogy a távoli csillagoknak a felszínét is megfigyelhetjük, sőt, belső szerkezetüket is megérthetjük mi több, modellezhetjük 2 jelenlegi csillagmodelljeink a mostani észlelési technika által lehetővé tett pontosság erejéig kielégítően írják le a csillagok szerkezetét, fejlődési törvényszerűségeit azaz a csillagok működését alapvetően értjük! mi több, a csillagokból álló rendszerek (többes rendszerek, csillaghalmazok, társulások, galaxisok és mindezek halmazai) dinamikai sajátosságai, fejlődési törvényszerűségei is érthetőek, kielégítően modellezhetőek Amiről viszont egyelőre lényegesen kevesebb ismeretünk van: az a csillagok közvetlen környezete (gázáramok, a csillagok körül keringő egyéb anyag-komplexumok, nemcsillagszerű égitestek) valamint a távolabbi csillag-közi tér. Érthetően, hisz ezekről a térségekről-, ill. az ott található anyagról lényegesen kevesebb és ráadásul sokszor csak közvetett információnk van. Mindezt az is igazolja, hogy a legutóbbi években is szolgáltak meglepetéssel a megfigyelések: így derült ki a sötét anyag léte amit a mai napig nem sikerült pontosan azonosítani, csak feltételezések vannak a mibenlétéről. Mindezek fényében, és ismerve a csillagászat különböző területeire csoportosuló kutatókat, pénzeket, a világszerte szétosztott értékes műszerhasználati jogok összidőtartamának eloszlását, az alábbi főbb területek jelölhetőek meg, mint napjaink asztrofizikájának frontvonalbeli (mondhatni legdivatosabb ) témái, kulcskérdései: vannak-e az eddig megismertektől lényegesen eltérő objektum-típusok, és anyagformák? Az Univerzum legkorábbi anyagformái, kölcsönhatásai Az Univerzum korai állapota, anyageloszlása a ma megfigyelhető világ képéhez vezető inhomogenitások feltérképezése Az Univerzum nagyléptékű pontos szerkezete, jövőbeli fejlődése Az élet kozmikus feltételei, előfordulási gyakorisága, fejlődési törvényszerűségei Az élet kozmikus előfordulási gyakoriságára vonatkozó megállapítások 2 Egy csillagmodell a vonatkozó fizikai egyenletrendszerek megoldását (a főbb fizikai állapotjellemzők, pl. hőmérséklet, nyomás, sűrűség, ionizációs állapot, sebességtér jellemzői, stb. térbeli eloszlásának leírását) jelenti.

3 1. Először azt kellett tisztázni, hogy egyáltalán az általunk ismert élet számára mik azok a legfőbb fizikai-, kémiai viszonyok, amelyek lényegesek? Rendkívül sok lényeges feltétel fogalmazható meg, de úgy tűnik, egy igen könnyen ellenőrizhető szükséges feltétel fennállása kizárólagos fontosságú: a (földi típusú) élet vizes oldatokhoz kötődő, így cseppfolyós halmazállapotú víz nélkül elképzelhetetlen jelenség. Így (mind a mai napig általánosan elfogadott módon) olyan égitesteket gondolunk az élet létrejötte szempontjából szóba jöhetőeknek, amelyeken folyékony víz létezhet kellő mennyiségben 3. A víz feldúsulásához nem elhanyagolható szempont, hogy szilárd halmazállapotú burokkal rendelkezzen a bolygó (azaz kőzet -bolygó avagy Föld-típusú bolygó legyen). Ezek számára további döntő tényező a központi csillagtól mért távolságuk, és esetleg pályájuk lapultsága. Az ilyen bolygóknak mindvégig közelebb kell maradniuk annál a távolságnál, amelynél légkör hiányában megfagyna a felszíni vízkészlet azonban pályamozgásuk során pedig mindvégig távolabb kell maradniuk, amelynél elforrna Ezen két határ közötti gömbhéj alakú térrészt nevezzük az adott csillag ökoszférá -jának 4. Ez a különböző típusú csillagokra más és más, kiszámolható. Némelyiknek túl közel esik és keskeny másoknak ugyan széles, de igen távol van Ez tovább csökkenti az esélyt a földön kívüli élet létezése szempontjából. 2. A következő fontos lépés annak tisztázása volt, hogy az (egyelőre még) egyetlen ismert bolygórendszer mennyire valószínű folyamat során jöhetett létre. Amennyiben bebizonyosodna, hogy létrejöttéhez számtalan véletlenszerű esemény egész láncolata vezetett, akkor az is kiderülhet, hogy hasonló esemény akár egész Tejútrendszerünkben elképzelhetetlen, még ennek kb milliárd éves kora alatt is Akkor pedig újfent arra a következtetésre juthatunk, hogy szinte felesleges is élet után kutatni egyedül vagyunk az egész Univerzumban! Azonban mind a mai napig minden megfigyelés azt látszik igazolni, hogy a Naprendszer összes égitestje a Nappal egyidejűleg, egyazon folyamat részeként jött létre. Márpedig ha így van, akkor (legalábbis nagyságrendileg) a csillagok számával lehet arányos a bolygórendszereké is 5. A ma elfogadott Naprendszer (és így általában: bolygórendszer) keletkezési elmélet Immanuel Kant ( ) megállapításaihoz nyúlik vissza, amelyet később Laplace, Hoyle és Alfvén öntöttek matematikai-fizikai formába így az ő neveikkel fémjelzik ezt az immáron a modern fizikai felismerések (pl. magnetohidrodinamika alapelvei) alapján egyre több részletében tisztázódó elméletet. Minthogy már számítógépes szimulációkkal is modellezik a folyamatot (ld. 1. ábrát), és láthatóan működőképes a feltételezések szerinti mechanizmus a kérdés mostmár az volt: látunk-e a 3 Megjegyzendő, hogy külön kiemelhető és kutatásra érdemes kérdés, hogy vajon az mennyire lehet általános, hogy olyan mennyiségben feldúsulhat egy bolygó felszínén a víz, mint a Földön. Egyesek ezt különleges, egyedi, megismételhetetlen eseménynek tartják. Mások a Naprendszerünk korábbi időszakában szinte mindennaposnak mondható üstökösmag-, és kisbolygó-szerű égitestek becsapódásának termékének tartják (amelyek víztartalma általánosan elfogadott nézetként magas). Ezt látszanak igazolni a Mars-kutató, és a Jupiter és Szaturnusz térségébe eljutott szondák. Pl. közismert, hogy pl. az Europát (Jupiter-hold) vastag vízjég-kéreg borítja, amely alatt további, immáron cseppfolyós halmazállapotú víztömeg lehet! Mindehhez tegyük hozzá, hogy a rádiócsillagászat kb. 40 éve ismertté tette a tényt, miszerint a víz a világegyetem leggyakoribb molekulája. 4 A légkör léte kicsit változtat az ökoszféra elhelyezkedésén, hisz az üvegház-hatást eredményező gázok a légkör nélküli esetben fagypont alatti bolygófelszínt fel tudják melegíteni, és így mégiscsak folyadék-fázisban tudják tartani a vizet. Az ökoszféra csillaghoz közelebbi határát szintén kintebb tolja légkör, hisz már hamarabb elforr a víz, mint egy csupasz bolygónál: ez a helyzet a Vénusz esetében is, ahol kb. 470 C fok hőmérséklet és a földi légköri nyomás 90-szerese uralkodik. 5 Ez természetesen nem azt jelenti, hogy pontosan annyi bolygórendszer van, mint csillag hisz a csillagok is igen eltérő tulajdonságú csoportokba sorolhatók. Így elképzelhető, hogy egyes csillag-típusok sajátossága lehet, hogy létrejöttekor törvényszerűen felépít maga körül bolygórendszert, némelyik pedig (épp alapvető tulajdonságainak, pl. erős sugárzásnak, csillagszelének, stb. köszönhetően) nem. Ez az eltérőség nagyjából 1-2 nagyságrendnyi eltérést okozhat azonban ez lényeges különbség egy egymilliomod valószínűségű folyamathoz képest, ami fényében alig 1000 bolygórendszert lehetne feltételezni a mi Tejútrendszerünkben a Kant-Laplace- Hoyle-Alfvén elmélet fényében pedig legrosszabb esetben is 100 milliót

4 kozmoszban ilyen napjainkban lezajló bolygókeletkezést? Megfigyelhető-e, és ha igen: hogy néz ki egy ilyen tettenért folyamat? 1. ábra: Egy bolygókeletkezési hidrodinamikai modell futtatásának pillanatképe a nyíl a csillag körül örvénylő forró porfelhőben már kikondenzálódott bolygó-kezdeményt mutatja. 3. Egyszer volt, hol nem volt volt egyszer egy Beta Pictoris nevű csillag. Ez volt az első, amely közvetlen környezetében a Napéhoz hasonló, ellapult anyagfelhőt mutattak ki, amely mérete is a Naprendszer mérettartományába esett. Nem sokkal később a Vega körül is hasonlót találtak. Ezt követően (ill. ezekkel párhuzamosan), az 1990-es években repült infravörös űrtávcsövek (IRAS, majd ISO, HST) felvételeinek feldolgozása, elemzése során egyre szaporodó számban találtak bolygórendszer-kezdemény sűrű, forró porkorongokat. Ezekről mára már egész komoly katalógus készült. Angol nevük (proto-planetary discs) rövidítése alapján proplyd nevet kapott ez az igen nagy számban előforduló égitest-típus. Az internetről is letölthető számtalan, igen látványos proplyd képe. Sokuknál maga a nemrégiben létrejött (sugározni kezdett) anyacsillag még nem is látható, olyan sűrű a még körülötte lévő a saját születését is lehetővé tevő anyagfelhő. Az elmélet szerint ezekben a közeljövőben csomósodásoknak, kondenzátumoknak (bolygócsíráknak, azaz planetezimáloknak ) kell létrejönni, amelyek egyre több anyagot gyűjtenek környezetükből ezzel nem csak magukat hízlalva, de a csillag-körüli porfelhőt is lassan tisztítva. Közben a későbbi (a csillagot hosszú ideig jellemző) normál szintjére erősődő csillag-sugárzás és csillag-szél is kifújja a könnyebb részecskéket a közvetlen közelségéből, ezzel szintén segítve a csillagkörüli térség kitisztulását. A bolygórendszer kialakulásának idejére már nagy távolságból is láthatóvá válik az anyacsillag is. A kiritkulásig a sűrű poron jó ideig csak a távoli infravörös sugarak jutnak át (azaz a csillag gyakran már látható az infra tartományban, de látható fényben még nem). Itt található még egy kis lyuk a folyamat bizonyításának láncolatában: ugyanis tettenért bolygó-kondenzálódást még nem sikerült megfigyelni sem direkt-, sem közvetett módon. 4. Itt következik a tanulmányunk alapjául szolgáló előadás fő vonulatába tartozó kérdés: már létrejött bolygórendszerek közvetlen kimutatása. Ez 1995 óta nem vágyálom, nem a fantázia világába tartozó fikció, hanem tényleges valóság ugyanis ekkor mutatták ki az

5 első, bolygó méretű kísérőket egy korábban már ismert csillag körül 6. Lentebb ennek a kérdéskörnek a kibontásával folytatjuk cikkünket. Csillag kontra bolygó Mielőtt továbblépünk, illik végre tisztázni, mi számít csillagnak, mi bolygónak? Már alsóbb iskolában is megismerkednek a gyerekek azzal az alapvető (igaz) ténnyel, hogy a csillagokat a bolygóktól az különbözteti meg, hogy az előbbiek saját fényt bocsátanak ki, míg az utóbbiak nem, csak a központi csillaguk fényét verik (ill. szórják) vissza 7. A dolog mögött egy alapvetőbb, mélyebb fizikai ok van: a csillagok tömegüknél és anyagi összetételüknél fogva központi tartományukban (magjukban) szabályozott, egyenletes magfúzió folytán energiát termelnek ez sugárzódik szét a világtérbe a felszínükről döntő részben valóban a látható tartományban ( nm között)! Feltételezve az Univerzum korábbi időszakában létrejött primordiális 8 anyagi összetétellel (kb. 76% H, 24% He ill. minimális mennyiségű Li) bíró csillagot, ennek beindulásának és fennmaradásának csakis egyetlen lényegi tényező a szabályozója: a tömeg! Kellő tömegű hidrogén gömb szükségszerűen oly mértékben húzódik össze saját gravitációja hatására, hogy a belsejében létrejön az a hőmérséklet és nyomás, ami mellett a protonok (H magok) le tudják győzni az ú.n. Coulomb-gátat (az azonos töltésük miatt egymásra gyakorolt taszító hatást), és előbb deutériumot, majd He izotópot, végül normál He-magot (alfa-részecskét) alkotnak, mely folyamat során gamma fotonok és neutrínók formájában jelentős energia szabadul fel. Ez sorozatos ütközések, elnyelődésekújrakibocsátódások útján kerül végül a felszínre, energiáját jelentősen elvesztve (átadva a csillagbelső különböző magasabb rétegeinek), és immáron látható fénnyé szelídülve sugárzódik ki a térbe és jut el hozzánk is, információt szállítva létrejöttéről. Ezeket a gázgömböket nevezzük csillagnak. Magától értetődőnek tűnik, hogy akármilyen kicsinyke tömeg nem képes annyira összenyomni az alatta lévő rétegeket (pusztán gravitációs úton), hogy a centrum környékén több millió fokos hőmérséklet és több millió atmoszféra nyomás jöjjön létre a hidrogén-fúzió számára A legkisebb, csillagnak nevezhető (azaz magjában hidrogént égető ) a Nap tömegének mindössze 7,5%-a (ez egy elég pontosan megadható, éles határ)! Ennél kisebb 6 Bár külön nem említettük, de mindvégig egy-egy csillag (amely nagyságrendekkel nagyobb tömege lévén domináns gravitáló testként kisebb testek egész rendszerét láncolja magához) körül keringő így azzal tényleges, fizikai kapcsolatban lévő bolygókról van szó. Természetesen érdekes kérdés a csillagközi térben kószáló, magányos bolygók létezése (ilyenek minden bizonnyal vannak) de a jelen elméletek szerint ezek is egy rendszer részeként jöttek létre, a már ismert folyamat során, csak a későbbiekben valamilyen mechanikai zavaró hatás folytán eltávoztak a korábbi szülő-rendszerből. 7 Megjegyzendő, hogy mai ismereteink szerint ez a kép kissé árnyaltabb, ugyanis a gázbolygók (Jupiter-típusú bolygók) szintén termelnek energiát, és így önálló fénnyel sugároznak is azonban ennek fizikai elve nagy rendszámú radioaktív elemek bomlása, ill. a lassú összehúzódás során felszabaduló potenciális energia. Ráadásul szinte csakis a távoli infravörös tartományban sugárzódik szét ez az energia. Tehát a szövegben ezután megadott pontosabb fizikai indoklás már lényeges különbséget tesz a kétféle égitest-típus között. 8 elsődleges az Univerzum anyagi összetétele kb. az ősrobbanás utáni 300 ezer év tájékán volt ilyen. Ebből az anyagból létrejött elsődleges (primordiális) csillagok valószínűleg a ma megfigyelhetőknél lényegesen nagyobb tömegűek voltak. A megfigyelési eredmények értelmében ezek extrém rövid idő alatt lepörgették életüket azaz a centrumuk közelében lévő anyag fúziójával lépésről lépésre felépítették a nehezebb elemeket, előbb a hidrogén egy részéből héliumot, aztán a héliumból szenet, oxigént, nitrogént, majd fel egészen a vasig, végül gigantikus szupernova robbanások során az ólomig, sőt annál is nagyobb rendszámú elemekig, amelyeket a robbanás hevében nagy sebességgel szét is szórtak a környezetükbe. Imígyen beszennyezve nehezebb elemekkel a H-He keveréket. A másodlagos, és későbbi csillagok már ilyen, nehezebb elemekkel szennyezett gáz-, és porfelhőkből keletkeztek. Ezek egy részét még ma is megfigyelhetjük, ill. az újabb és újabb csillaggenerációk népes családjait láthatjuk szerteszét az égen. Ezek fémtartalmukban is lényegesen különböző családokba ( populációkba ) sorolhatók.

6 gázgömbben legfeljebb még a piciny mennyiségben meglévő deutérium, és lítium gyenge fúziója indulhat be, ami azonban nem képes akkora sugárzási nyomást produkálni, hogy ellent tartson a gravitáció összehúzó hatásának következésképpen az ilyen égitestek lassan összehúzódnak, és kihűlnek. Másrészt látható tartományban nem képesek sugározni, pusztán az infravörös egyes tartományaiban mutatnak megfigyelhető sugárzást ez tükröződik a nevükben is: barna törpék -nek nevezik őket. De még ez a korcs fúzió is csak egy bizonyos tömegig képes beindulni, a Nap tömegének 1,3%-ánál kisebb tömegű égitestek már végképp nem csillagok. Ezeket nevezzük bolygónak (2. ábra). A Jupiter még ennél is kisebb, - 2. ábra: Tipikus csillag-, barna törpe-, és bolygó méretek arányos összehasonlítása. tömege a Napénak mindössze 0,1%-a. Minthogy azonban a mi Naprendszerünkben a legnagyobb égitest a Nap után, ezért a hagyomány szerint ehhez viszonyítjuk mind a barna törpéket, mind a bolygókat. Érdekességként megjegyezhető, hogy ezen égitestek körében az egyensúlyi méret (átmérő) lényegében nem (vagy alig) függ a tömegtől! A barna törpék nagyjából azonos átmérőjűek a Jupiterrel. A legnagyobb, eddig ismert élet-hordozó bolygó (a Föld) tömege a Jupiterének alig 0,3%-a, méretét tekintve pedig a Jupiter 9%-a. Elképzelhetőek persze a földnél lényegesen nagyobb kőzet-bolygók is, de jelenleg még nem ismerünk ilyeneket. Nézzük hát, milyen bolygókat sikerült találni az elmúlt évtized során? Földön kívüli bolygók ( exobolygók ) keresésének módszerei és első eredményei Direkt leképezés: A legegyszerűbb felvetés, hogy próbáljuk meg egyszerűen lefényképezni a bolygókat a csillaguk körül keringve. A csillagok közötti távolságok roppant nagyok. Ebből ered minden

7 probléma Hogy megértsük, mennyire nehéz probléma kimutatni a tér mélységeiben egy átlagos csillag körül keringő tipikus bolygót, tegyünk egy egyszerű összehasonlítást saját Naprendszerünk példáján! A hozzánk legközelebbi csillag, az Alfa Centauri kb. 4 fényévnyire van tőlünk. Már innen nézve is maximum 4 ívmásodperc szögtávolságra képes a Naptól eltávolodni a legnagyobb bolygónk, a Jupiter. Mint szögtávolság, elvileg ez még felbontható nagy távcsövekkel, a probléma viszont a Nap és a Jupiter látszó fényessége közötti kb. egymilliószoros különbség! A legtökéletesebb, ideális távcsövek sem pontszerű képet alkotnak a csillagokról, hanem a fényelhajlás törvényszerűségei által adott méretű korongot, és körülötte halványabb gyűrűket. Azonban még ezekben az elhajlási gyűrűkben is annyi fény érkezik a Napból, ami mellett szinte elvész a Jupiter gyengécske fénye. Tovább rontja a helyzetet, hogy a Jupiter fénye ugyanígy nem pontszerű, hanem korongba, és gyűrűkbe terül szét. Ráadásul, a valóságos távcsövek optikái messze vannak az ideálistól a tükrök felületi egyenlőtlenségein és a távcső optikáinak tartóelemein, egyéb alkatrészein létrejövő fényszóródás miatt a központi fényfoltból még több fény kerül ki a külső gyűrűkbe. A valóságos optikai elrendezések pedig magát a központi folt méretét is növelik. Mindezek miatt már a legközelebbi csillag-szomszédunktól is reménytelen vállalkozás lenne a Jupitert lefényképezni (a belsőbb bolygókról már nem is beszélve) Ilyen direkt leképezés még manapság is nagy bravúrnak minősül, és csak néhány csillag körül keringő, viszonylag erős saját fénnyel rendelkező barna törpe esetében sikerült (ld. 3. ábrát). 3. ábra: Egy fényes csillag ( A ) és egy hozzá igen közeli, halvány kísérő ( B ) képe egy nagy távcső fókuszsíkjában. Az Alfa Centauriról a Nap látszó mérete 0,007 ívmásodperc, a Jupiteré ennek tizede. A Nap kiterjedése egyedül interferometrikus módszerekkel lenne mérhető (például egy ottani légkör-nélküli, szilárd felszínű égitest általi fedés segítségével ha egyáltalán lenne olyan, kedvező pályán keringő égitest az ottani rendszerben, ami létre tudna hozni a fedést). Szóval számtalan szerencsés feltételnek is teljesülni kell. A Jupiter mérete még ilyen technikával is kimutathatatlan. Tehát a Naprendszerünk bolygóinak leképezése, kiterjedésük kimutatása teljességgel kivitelezhetetlen a mi (jelenlegi) technikánkkal már a közvetlen közelből is. 100 fényéves környezetünkben alig 100 csillag van, és ez a környezet még mindig csak a legközvetlenebb szomszédságunk. 100 fényév távolságban lévő csillagról nézve a Naptól mindössze 0,15 ívmásodpercre képes szélső helyzetében eltávolodni a Jupiter. Ez pedig még ideális távcsőoptikák esetén is belül van a központi elhajlási korongon.

8 Reményt nyújthat az a lehetőség, hogy olyan hullámhosszakon kell kísérletezni, amelyekben a központi csillag nem-, vagy csak lényegesen kisebb intenzitással sugároz, a bolygó pedig fényesebb ott. Talán 1 nagyságrendnyi intenzitás-különbség ledolgozható így. A kedvező tartomány a infravörös. Napjaink modern technikai eszközei is ringbe szálltak relatíve közelebbi bolygók lefényképezésének bravúrja reményében. Két lehetőség kínálkozik: 1.) null-interferometria (fázis-eltolással kioltják csillag fényét, miközben a feltételezett bolygóé megmarad) 2.) csillag-koronográfia: a Nap koronájának fényképezésére kidolgozott letakarásos módszert alkalmazzák a csillagra is: a távcső fényútjába helyezett parányi akadály kitakarja a csillag fénykorongját, így a közelében lévő halványabb égitestek fényképezhetőkké válnak. Az első null-interferometriás sikert szeptemberében jelentették be, azonban nem bolygót, hanem egy barna törpét találtak. Ez a központi csillagtól 0,78 ívmásodpercre látszik, ami annak 228 fényévnyi távolságában a Jupiter Naptávolságának 11 szeresét jelenti (kb. a mi Plútónknak megfelelő távolságban kering az anyacsillag körül). Mint fentebb már említettük: a barna törpék mérete megegyezik a Jupiter-típusú bolygókéval bár fényességük azoknál lényegesen nagyobb. Annyi tehát mindenesetre már látszik, hogyha keservesen is, de lehetséges lesz a közeli jövőben egy-egy közelebbi csillag körül kellően tág pályán keringő, kellően fényes bolygók direkt lefényképezése. Azonban egy sor, ötletes indirekt kimutatási módszert dolgozott ki az emberi lelemény, amelyekkel már lényegesen nagyobb távolságokból is hatékonyan mutathatóak ki bolygók. Tekintsük át ezeket is! Asztrometriai módszer: A módszer elve relatíve egyszerű, mégis, tényleges kimutatása elemi nehézségekbe ütközik méréstechnikai korlátok miatt. Lényege abból áll, hogy a mechanika alaptörvényeiből következően két tömegpont kölcsönös gravitációs terében történő keringése a valóságban a közös tömegközéppont körül történik. A pályák fél nagytengelyei fordítottan arányosak a tömegekkel. Természetesen így nagy aránytalanságok esetén (a Nap tömege pl. a Jupiter kb. ezerszerese!) a csillag jóval kisebb sugarú pályán kering mint bolygója pl. a Nap esetén ez a közös tömegközéppont a Nap felszíne alatt található. Távolról nézve, amikor a bolygót (bolygókat) már nem is lehet látni, a bolygó-kísérőkkel rendelkező csillag tömegközéppont körüli imbolygó mozgása viszont tettenérhető a csillag helyzetének változásában (ld. 4. ábra). Méréstechnikailag könnyebb a kimutatás, ha a csillag relatíve nagy sajátmozgással is rendelkezik, ekkor a Naphoz viszonyított egyenes vonalú eltolódásra egy szinuszoidális hullám íródik rá. Ilyet több csillagnál kimutattak már. Először Kapteyn javasolt 1937-ben ilyen módszert a közelebbi csillagok körüli láthatatlan kísérők kimutatására, de ez a kísérlet eredménytelen maradt. Híressé vált eset a felénk közeledő, jelenleg a leggyorsabb sajátmozgást mutató Barnard-csillag esete, amiről időről időre még mostanság is vitáznak, hogy t.i. van-e kísérője vagy sem. Egyesek véltek hullámot kimutatni a sajátmozgási pályán mások nem. A Szíriusz láthatatlan (fehér törpecsillag) kísérőjét viszont így sikerült kimutatni. A módszert még nem írták le a bolygókeresési módszerek sorából, de nehezíti alkalmazhatóságát, hogy csak rendellenesen nagy tömegű bolygók kimutatására esélyes, illetve szerencsés térbeli elhelyezkedés is szükséges a szignifikáns kimutatáshoz (a bolygók pályasíkjára merőleges rálátás esetén a legnagyobb az esély).

9 4. ábra: A Nap kb. 32,6 fényév távolságból megfigyelhető pozíciójának a bolygóknak köszönhető imbolygása kb. 65 év leforgása során. Spektroszkópiai módszer: A jelenlegi legsikeresebb bolygó-kimutatási módszer. Így fedezték fel a legelső exobolygót is 1995-ben, és azóta (2005. novemberéig) 135 másikat is. Lényegében ez is a fentebb említett közös tömegközéppont körüli mozgás miatt bolyongó anyacsillag fényével dolgozik azonban itt nem az irányt kell mérni, hanem a sebességeket. Ugyanis a módszer az imbolygó mozgás során hozzánk hol kicsit közeledő, hol kicsit távolodó csillag színképvonalainak Doppler-effektus miatti eltolódásának kimutatására alapul (ld. 5. ábrát). 5. ábra: A spektroszkópiai (Doppler) módszer elvi alapjának szemléltetése: a bolygó-csillag páros közös tömegközéppontja körül keringő csillag spektrumvonalainak hullámhossza az észlelőhöz történő közeledés során rövidül, távolodáskor meghosszabbodik (vörösebbé válik).

10 Ezzel a módszerrel már korábban is számtalan fontos felismerésekhez jutott a csillagászat. Doppler eltolódás alapján lehet tanulmányozni pl. a tőlünk nézve felbonthatatlanul piciny csillagok felszínén lévő foltokat, a pulzáló csillagok felületének mozgásait, stb. Megfelelően stabil, temperált környezetbe helyezett spektrográf, és különösen pontos, éles vonalakat produkáló jód standard referencia-elemek használatával akár 1 m/s alatti mozgás-sebességek is mérhetőek ma már. Ez pedig már a csillagok bolygók-okozta rángatásának tartománya. Minden egyes bolygó a tömegének megfelelő amplitúdójú-, és pályájának elnyúltságától függően torzuló szinuszos alakú radiális sebesség görbét okoz. Ezek additíve egymásra rakódnak, és mivel más-más a periódusuk, más-más a tömegük és pályalapultságuk, így több bolygó létezése esetén egyre összetettebb és egyben egyre felismerhetetlenebb (továbbá így analizálhatatlan is!) a végeredményül kapott kimérhető görbe. Háromnál több bolygó kimutatását egyelőre nem is nagyon remélik a szakterület képviselői. A munka a világ több pontján is gőzerővel folyik, konkurrens csoportok küzdenek az elsőségért. Az új eredmények, az összesített lista, és a felfedezett egyes rendszerek főbb tudnivalói mind megtekinthetőek és letölthetőek az Internetes exobolygó-honlapokról (ld. 6. ábrát). Megjegyzendő, hogy az érdeklődők bővebb háttér-információkhoz is juthatnak e lapokon. 6. ábra: A novemberében ismert 156 exobolygó ábrázolása az anyacsillagtól mért közepes távolságának növekvő sorrendjében sorba rendezve.

11 A legfrissebb statisztika alapján egyelőre 18 többes rendszert találtak (azaz ahol 2, vagy több bolygót sikerült kimutatni). A leghíresebb továbbra is az Upsilon Androméda rendszere, ahol három, a Naprendszerünkéhez igen hasonló távolságokban keringő bolygót mutattak eleddig ki. Fotometriai módszerek: Kevésbé sikeres eljárások (eleddig 8 felfedezés köszönhető ezeknek a technikáknak), azonban a közeljövő erőfeszítései nyomán nagyobb siker várományosa, mint a spektroszkópia! A többes szám használata igencsak indokolt, hisz fotometriai mérések útján két igen eltérő elv alapján is fedezhetünk fel exobolygókat: 1. gravitációs lencsehatás kihasználásával 2. a központi csillag bolygók általi időközönkénti eltakarásának mérésével A gravitációs lencsehatás részleteiben nehezen megérthető, u.i. az Einsteini általános relativitáselméletet kell jól ismerni, hisz annak folyománya. Fenomenologikus ismertetése mindössze abból áll, hogy lévén a gravitációt a téridő deformációjaként írja le, amit terjedése folyamán a fény is követ, így törvényszerű hogy nagyobb tömegek közelében elhaladó (távolabbról érkező) fénysugarak elhajlanak, irányt változtatnak. Méghozzá a téridő görbülete mértékében azaz a tömeg közelében jobban, távolabb kevéssé. Ha kiszámoljuk egy távoli csillagról érkező kb. végtelen síkhullám keresztülhaladását egy ilyen téridő-torzító tömegen, akkor azt kapjuk eredményül, hogy egyrészt a távoli objektum felőlünk látható alakja eltorzul, másrészt a fény útjába kerülő tömeg nagyságának, és elhaladásának gyorsasága függvényében rövid időre valamekkora mértékben megnöveli a távoli objektum irányunkból észlelhető összfényességét. Ezt a rövid, jellegzetes alakú (mással összetéveszthetetlen) felvillanást kell rögzíteni. Sajnos az elhajlást okozó objektumról vajmi kevés tudható csak meg, azonban az effektus nagyszerűen alkalmazható bolygókeresésre: t.i. amennyiben bolygó is van a távolabbi (látható, megfigyelhető) csillag körül, ez egy második tüskét eredményez a lencsehatás-fénynövekmény fel-, vagy lefutásán (ld. 7. ábrát). 7. ábra: A gravitációs lencsehatás szemléltetése: a megfigyelhető fényességnövekedési görbe jellegzetes alakja, valamint a bolygó léte miatt jelentkező másodlagos csúcs.

12 Másik előnye a módszernek, hogy több más szempontból is fontos, folyamatosan végzett átfogó kampány melléktermékei. Pl. a lencsehatást előidéző, máskülönben nem látható objektumok eloszlását, tömegét rendkívül fontos tanulmányozni, hisz lehet, hogy pl. Tejútrendszerünk hiányzó tömeg -ét, sötét anyag -át vélhetjük bennük megtalálni. Lengyel kutatók által szervezett, és évek hosszú sora óta következetesen végzett átfogó fotometriai program (OGLE) részeként továbbra is folyamatosan várható bolygófelfedezések ezen elven. Egyetlen probléma, hogy az effektus létrejötte igen pontos és így csak nagyon ritkán bekövetkező szerencsés geometriai elrendeződést kíván. Ezért sok tízezernyi csillag folyamatos figyelése szükséges ahhoz, hogy évente néhány lencsehatást ki lehessen mutatni, és ezek közül is csak nagy ritkán csíphető el bolygó jelenléte. A program életben tartásának egy másik talpköve a sok tízezer csillagról létrejövő fényességi idősor, amely automatikus elemzésével már eddig is százszámra fedeztek fel új változócsillagokat, kisbolygókat. Az imént ismertetett módszernél már eddig is lényegesen produktívabb a bolygófedések fotometriai kimutatásának módszere (6 felfedezés fűződik hozzá), és a technika fejlődésével hamarosan ez válhat a legtöbb bolygó felfedezésének alapjává. A csillagászatban eddig is ismert volt az egymás körül keringő, tőlünk nézve egymást időnként eltakaró kettőscsillagok fedési jelensége. Számtalan lényeges szempont alapján fontos is volt az asztrofizika számára tanulmányozni ezeket. A komponensek relatív méretei, egyéb fizikai jellemzői alapján több eltérő alcsoportba sorolhatjuk őket. Némelyikük megfigyelésével még a relativitáselmélet igazolása, az Univerzum kezdeti He összetételének meghatározása is lehetővé vált. Fontosságuk ecsetelésére talán a legjobb példa, hogy tulajdonképpen az egész modern asztrofizika kulcsa a csillagok méretéről és tömegéről alkotott pontos tudásunk ami viszont kizárólag fedési kettőscsillagok mérésével lehetséges 9! A fedési kettőscsillagokhoz képest a bolygók általi fedések esetén az össz eltérés, hogy egyrészt a bolygók jóval kisebbek (ennek megfelelően a fénycsökkenés mértéke jóval kisebb, hisz a kitakart csillag fényéből relatíve sokkal kisebb terület lesz kitakarva), másrészt nincs saját fényük (van viszont járulékos fényszóródást produkáló légkörük). Mindezek miatt igen jellegzetes, jól felismerhető különbségek mutatkoznak a csillagok fedési fényváltozása és a bolygókéi között (ld. 8. ábrát). 8. ábra: A bolygófedési módszer szemléltetése (az alsó görbe a fenti geometriai elrendeződésnek megfelelő fényesség-változás jellegzetes kád-szerű alakját mutatja). 9 Napjaink asztrofizikája kb. 100 pontosan leészlelt fedési kettőscsillag abszolút paramétereinek meghatározásán nyugszik. A minta elemszáma természetesen egyre kevésbé elégíti ki az elméleti vizsgálatok igényeit, így további rendszerek mérése kívánatos. Mivel azonban látszólag nem látványos, nem izgalmas feladat, egyre kevesebben foglalkoznak ilyen mérésekkel. A csillagfejlődés és más vizsgálatok viszont a jelenleginél sokkal pontosabb tömeg-, és sugár meghatározásokat fognak igényelni, tehát a meglévő adatbázis is el fog avulni

13 Azonban ezek a látszólag csak kvantitatív különbségek lényeges elvi következményekkel is járnak: csillag-társakéhoz képest sokkal kisebb valószínűséggel fog bekövetkezni bolygófedés (szerencsésebb geometriai elrendeződésre van szükség), másrészt ritkábban is történik ilyen. Gondoljuk el: Messziről nézve (már a hozzánk legközelebbi Alfa Centauri távolságában is) a Földünk évente egyszer, kevesebb, mint 4 percig tartó fedést produkál, amely során a Nap fénye mindössze 1/10000 ed fényrenddel 10 csökken. Ez a jelenlegi földfelszíni távcsöves méréstechnika pontosságát kb. két nagyságrenddel felülmúlja. Ám nagyobb méretű bolygók (kb. 10x nagyobbak, mint pl. a Jupiter) fedési effektusai már megközelítik a földfelszínen elérhető pontosságot is. Így hát a földi távcsövekkel érdemes nekikezdeni a csillagvilág átfésülésének, mert várhatóak ilyen felfedezések 11 (ld. 9. ábrát). 9. ábra: Az egyik exobolygó-felfedezés bemutatása: a csillag és környezete a távcsőben (jobb alsó kép, az OGLE-Tr-10 kereszttel jelölve), hosszú idejű fényesség-mérési adatsora (felül), és a bolygó miatti fedésnek tulajdonítható rövid időszak kinagyított fényváltozása (bal alsó kép). Hazai és különösen: bajai lehetőségek : A fentiek alapján (kicsit össze is foglalva és tovább is gondolva az exobolygók kutatását): Világos, hogy várhatóan nagyon sok bolygórendszer létezik a Tejútrendszerünkben (egyelőre más galaxisokról nem beszélünk, azonban minthogy a csillagaikra bontható közelebbi galaxisok egyedi csillagai is tanulmányozhatóak nagy távcsövekkel, így mindezek akár 2,5 millió fényéves térségig is kiterjeszthető állítások). Kimutatásuk legolcsóbb, és mégis viszonylag siker-várományos módszere a fedések keresése. Ez (nagy méretű bolygók esetén) alkalmas pontossággal a Baján is meglévő csillagászati eszközökkel művelhető! Minthogy kellő ideig kell egy-egy csillagot figyelni 12 és a tetszőleges térbeli beállású pályasíkok miatt statisztikailag csak nagyon kevés bolygórendszer produkálhat tőlünk nézve fedéseket ezért 10 A hagyományos csillagászati fényesség-skála egysége a fényrend, vagy más néven magnitúdó. Ez a I1 korszerű méréstechnikával mérhető fotometriai mennyiséggel (I intenzitás) így fejezhető: m = 2,5 log I 2 11 Megemlítendő, hogy az űrben keringő távcsövekkel várhatóan legalább 1 (egyes kiválasztott célcsillagok esetén akár 2!) nagyságrenddel jobb lesz a pontosság, mint az említett földfelszínről elérhető érték. 12 A fentebbiekben már említettük, hogy a pályamozgás kepleri törvényszerűségei miatt minél távolabb kering egy bolygó az anyacsillaga körül, annál hosszabb a keringési ideje - azaz annál ritkábbak lesznek a fedései

14 magától értetődő a kutatási stratégia: minél nagyobb, csillagokban gazdag égterületet kell szisztematikusan mérni, percnél pontosabb időfelbontásban, hosszú időn keresztül. Nem lehet tudni előre, milyen irányban, melyik csillag elé fog épp az elkövetkezendő órában belépni egyik-másik bolygója, ezért tulajdonképpen még a kiválasztott észlelési irány is tetszőleges lehet. A tízezernyi csillagról kapott fénymérési idősorok átvizsgálásával lehet felfedezni exobolygót már akár a projekt legelső évei alatt! A Bajára során került új, 50 cm-es robottávcső (ld. 10. ábrát) kiválóan alkalmas a feladatra: hazánk jelenleg legnagyobb látómezejű fotometriai távcsöve ( 42 x 42 ívperc az 10. ábra: Az exobolygó keresésre is alkalmas új bajai távcső: 50 cm-es átmérőjű robottávcső. egyidejűleg fényképezhető terület)! Az unalmas rutin-expozíciók minden áldott éjszaka történő kivitelezése programozható, a feladatot az automatikus rendszer ember-munka igény nélkül végrehajtja. Kicsit komolyabb feladat tízezernyi csillagra átvizsgálni az éjszakánkénti sokszáz képet, erre megfelelő automatikus fotometriai redukáló programot kell kifejleszteni, és a hasznos melléktermékek tudományos hasznosulása érdekében jól meg kell szervezni az adatok archiválását, későbbi visszakeresését is! Megoldandó az ismert vagy új felfedezésnek számító változócsillagok kinyert fénygörbéjének automatikus analízise is, ugyanis a jelenleg alkalmazott módszereinkkel 1-1 csillag fénygörbéjének analízise 1-2 teljes napi emberi munkaerőt igényel. Ezzel a módszerrel soha nem lehet feldolgozni a várhatóan körüli tanulmányozandó változócsillagot, hisz mielőtt a végére érnénk a munkának, az időközben leészlelt újabb adatsor(ok) szakad(nak) az ember nyakába. Tehát az egyetlen lehetőség: magasan fejlett, intelligens elemző programokat kell írni, és használni. Egy ilyen program

15 megalkotása sem kis idő, azonban hazánkban vannak olyan csillagászok, akik már kifejlesztettek ilyen programokat az általuk külföldre telepített kis átmérőjű, de a bajainál is nagyobb látómezejű robottávcsövekkel kapott saját adatsoraikra. Pusztán némiképp át kell esetleg írni ezeket a kódokat. Az ezirányú együttműködések már kibontakozóban vannak, és remélhetőleg hamarosan (2006. elején) megkezdődhetnek az első bajai próbamérések. A jövő Az exobolygó kutatás jövője igencsak lázba hozhatja a földön kívüli élet kutatásának rajongóit: Mind a NASA, mind az ESA (egymással is együttműködve) külön programban foglalkozik a kozmikus élet-kutatással. Ennek egyik első lépése a (várhatóan júniusában felbocsátandó) COROT űrtávcső. Ez részben csillag-fizikai rendeltetésű lesz, de fele időben exobolygókat keres. A következő a Kepler űrszonda lesz (2008-ban), amely egy 1,4 m főtükrű Schmidt optikával rendelkezik majd, ami 12 fokos látómezőt biztosít. A tervek szerint az átvizsgálandó égterületen ezernyi földtípusú bolygót fog felfedezni! A feltételezések szerint a várt eredmények arra is alkalmasak lesznek, hogy már statisztika is készülhessen arról, általában a bolygók hány százaléka esik az aktuális központi csillag ökoszférájába? A következő minden bizonnyal a GAIA lesz (fellövés: 2011-ben), amely több százezer csillag minden eddiginél pontosabb spektroszkópiai vizsgálatát végzi majd különösen az addig kimutatott exobolygó rendszerekét. Alkalmas lesz az exobolygók légkörének kimutatására, és a légkör anyagi összetételének víz, oxigén nyomainak megállapítására is. Végül pedig egyelőre 2025-ig láthatunk előre, amikoris több azonos észlelő holdból álló TPF-1 csoport (ld. 11. ábrát) fog repülni, amely interferometrikus elven fog exobolygó rendszereket lefényképezni a direkt leképezés módszerével. 11. ábra: A TPF ( terrestrial planetary finder ) űrtávcső-csapat fantáziaképe. Talán e sorok olvasói közül meg fogják még néhányan érni, amikor az első kutatóűrhajó elindul az első (a cikkünkben ismertetett kutatási terület addig elért eredményei alapján) kiválasztott exobolygó cél felé, mint a Föld bolygó követe Talán akkor veszi majd kezdetét egy szép új világ A szerző e tárgyú korábbi írása: Természet Világa, 1990, 5. szám, old.