Az ős-naprendszer nyomában Korongok fiatal csillagok körül Ábrahám Péter MTA KTM Csillagászati Kutatóintézete Ortvay kollokvium ELTE, 2010. november 18.
I. lecke: vegyük észre a kisebb égitesteket!
I. lecke: vegyük észre a kisebb égitesteket!
I. lecke: vegyük észre a kisebb égitesteket Credit: Alan Stern
I. lecke: vegyük észre a kisebb égitesteket Credit: NASA
TNOs are cool! - részvétel a Herschel programban Tükör: 3.6m (3.3m hasznos), SiC alap, alumínium bevonat PACS: minden észlelés párhuzmosan kék és vörös hullámhosszakon Kamera: Credit: Kaufman/Freedman Bolométer, három fotometriai sáv, 70, 100 és 160µm kék és vörös detektor (64x32 illetve 32x16 pixel) Spektrométer (kis-közepes felbontású): Ge:Ga félvezető detektor, 5x5 térbeli pixel, optikai rács kék és vörös detektor SPIRE: szubmilliméteres fotométer (250, 350 és 500µm) + kis felbontású szubmilliméteres spektrométer HIFI: nagy felbontású infravörös spektrométer
TNOs are cool! - Quaoar, Haumea, Makemake... Lellouch et al. A&A 2010
Miért érdekesek a primitív kis égitestek? Belőlük állnak össze a bolygók Ha nincs planetezimál (bolygócsíra), nincs bolygó Ahol nincs planetezimál, ott nincs nem keletkezik bolygó Ahol nincs planetezimál, ott lehet bolygó A Naprendszerben két planetezimál-öv is van Van-e más csillagok körül is? Credit: A. Feild
Planetezimál-öv <=> törmelékkorong Az egyes égitesteket külön-külön nem látjuk, de az ütközésekben termelődő port igen (törmelékkorong)! ütközési kaszkád, porszemék >= 1 mikrométer keletkeznek (nagy össz-felület) szórt csillagfény, Planck-sugárzás infravörös hullámhosszakon a porszemcsék rövid ideig élnek, ütközések pótolják őket elég nagy ütközési gyakoriságnál a szemcsék helyben ledarálódnak Fomalhaut. Credit: P. Kalas et al. 2005 Moór et al. ApJL 2009
Planetezimál-öv <=> törmelékkorong A Naprendszerben is van legalább egy törmelékkorong: az Állatövi Fény porfelhő Credit: C. Peterson A Kuiper-övben nem tudjuk mennyi por van (de ütközések vannak, Haumea).
Törmelékkorongok Több, mint 400 csillagot ismerünk, ahol van törmelékkorong Source: http://circumstellardisks.org/
A planetezimálok keletkezéstörténete Core accretion model, self-stirring (Kenyon & Bromley, 2008) A csillagkörüli térben, korong-geometriában por és gáz kering Kis relatív sebességek esetén a porszemcsék az ütközéseik során összetapadhatnak és lesüllyednek a korong középsíkjába, ahol nagyobb porsűrűség alakul ki A mikrométer méretű porszemcsék valahogyan >km-es méretű testekké állnak össze, amelyek már nem hatnak kölcsön a gázzal, hanem kepleri pályán keringenek A gravitáció következtében a testek ütközési hatáskeresztmetszete megnő, a nagyobb testeké jobban --> instabil helyzet, néhány test sokkal gyorsabb növekedésbe kezd a többinél (runaway fázis) Miután a pályájuk mentén magukra akkretálnak minden kisebb planetezimált, a növekedés leáll, egy csapat ~1000 km-es oligarcha alakul ki (proto-bolygó, Plutó) A növekedés időskálája függ a keringési periódustól (P) és a lokális felületi sűrűségről (Σ): tplutó ~ P/Σ ha Σ = Σ0 r -1.5 tplutó ~ r 3 / (Σ0 M* 1/2 ) az időskála nő a csillagtól mért távolsággal! Az 1000 km-es testek gravitációsan perturbálják a környező kisebb testek pályáját és ütközéseket idéznek elő --> por -- > törmelékkorong!
A kifelé haladó pornövekedési modell ellenőrzése Moór et al. (2010, submitted): ~80 F-színképtípusú csillag infravörös vizsgálata a NASA Spitzer űrtávcsövével Jól definiált csillagtömeg 27 törmelékkorong Többségében Kuiper-öv analóg Moór et al. ApJS 2011
Kapcsolat a bolygók és a törmelékkorongok között Van ~400 ismert exobolygó, és van ~400 törmelékkorong: van ezeknek közük egymáshoz?! Credit: P. Kalas et al.
Lokalizált sűrűségperturbációk törmelékkorongokban Credit: Wilner, Wyatt, Reid Ábrahám, Moór et al: elfogadott program a Herschel űrtávcsőre; nagy térbeli felbontással vizsgáljuk kiterjedt korongok szerkezetét.
A HR8799 bolygórendszer (megasztár!!!) Credit: C. Marois et al. Korábbi infravörös mérésekből tudjuk, hogy van törmelékkorong is! Moór et al: rádió interferométer mérések Franciaországban, a korong szerkezeti vizsgálata (mérések elkészültek).
Statisztikus összehasonlítás Kóspál et al. (2009): 149 bolygóval rendelkező csillag vizsgálata, infravörös többletsugárzás keresése. A sok felső határ miatt survival analízis Eredmény: 2.7 szigma különbség a bolygós csillagok és a kontroll csoport között
II. lecke: a bolygórendszerek nem statikusak!
Bolygómigráció a korai Naprendszerben Credit: Gomes et al.
Tranziens események (nagy ütközések) Moór et al: (2008): találtunk olyan törmelékkorongot, amely meleg és fényes; túl meleg és túl fényes ahhoz, hogy egy 2.1 milliárd éves csillag körül legyen! Nagy ütközés vagy Late Heavy Bombardment típusú esemény lehet. A rendszerben vannak mikrométeres porszemcsék is, amik egyébként gyorsan kiürülnek (csillagszél sugárnyomása). Ez is friss ütközésre utal. Moór et al. ApJL 2009
Tranziens események (nagy ütközések) Credit: NASA/JPL
Tranziens események (nagy ütközések) Moór et al. ApJL 2009
Nagy skálájú áramlások a korai bolygórendszerben Akkréció: Credit: ESO/L. Calçada Ciesla 2009 Szilikátkristályok hideg üstökösmagokban
Hol keletkezhetnek a planetezimálok?
Hol keletkezhetnek a planetezimálok? A korong tulajdonságai (sűrűség- és hőmérsékletprofil, jéghatár, stb.) meghatározzák a bolygókeletkezési folyamat kezdőfeltételeit.
Protoplanetáris korongok Geometriailag vékony, optikailag vastag korong
Geometriailag vékony, optikailag vastag korong Termikus egyensúly r sugárnál A sugárirányú hőmérsékleteloszlás: A forrás színképe, ahogy az észlelő látja:
Trapézkorongok Trapézkorong
Trapézkorong Termikus egyensúly r sugárnál A fotonok beesési szöge: Skálamagasság r függvényében:
Kétrétegű korong (Chiang & Goldreich 1997) Credit: Detre Ö.
Felpuffadt belső perem (Dullemond et al. 2001) Radiatív transzfer modellek, Monte-Carlo kódok
Barna törpe korongok Elfogadott Herschel pályázat a rho Oph csillagkeletkezési terület barna törpe korongjainak feltérképezésére
Interferométer mérések
Mennyi ideig van gáz a korongokban?! Addig keletkezhetnek gáz-óriások... Általános nézet: kb. 10 millió éves korra a gáz eltűnik a korongból De: a 49 Ceti-ben találtak CO gázt (10-30 millió év) Mi pedig a HD 21997-ben (Moór et al. 2011) Moór et al. in prep.
Befejezés A bolygókeletkezés egy nagyon komplex folyamat. A Naprendszer ma megfigyelhető szerkezetének feltárása ÉS a más csillagok körüli korongok tanulmányozása együtt el fog vezetni a bolygókeletkezés megértéséhez Köszönöm a figyelmet!
Együttműködők MTA CsKI: Kiss Csaba, Kun Mária, David Westley Miller, Moór Attila, Mosoni László, Pál András, Regály Zsolt, Sipos Nikoletta Volt diákjaim: Csengeri Timea (Saclay), Juhász Attila (MPIA), Kóspál Ágnes (Leiden Obs.)