2010.11.09. - Így születhetnek a szuperföldek

Numerikus szimulációkkal sikerült igazolni egy új bolygókeletkezési elmélet létjogosultságát. A modell szerint a nagyméretű kőzetbolygók a formálódó bolygórendszer belseje felé vándorló gázcsomókból születnek.

A bolygók kialakulásának pontos lefolyását a hosszú évtizedek óta tartó kutatómunka ellenére is számos ponton homály fedi. Saját Naprendszerünk planétáit illetően rendelkezünk jónak tűnő elképzelésekkel, de a részletek itt sem minden esetben teljesen világosak. Az eddig megismert idegen bolygórendszerek ugyanakkor eléggé különböznek a miénktől, így a szakemberek folyamatosan próbálkoznak a modellek fejlesztésével, illetve új lehetőségek keresésével.

A jelenleg legelfogadottabb elméletek szerint a kőzetbolygók az ún. összeállásos (akkréciós) folyamat során alakulnak ki. A fiatal csillag körüli ún. protoplanetáris porkorong szemcséi előbb néhány cm-es darabokká állnak össze, melyekből néhány km-es sziklák, majd bolygóméretű testek lesznek. A látszólag egyszerű folyamat részletei azonban még magyarázatra szorulnak, különösen az, hogyan lesznek a cm-es darabokból több kilométer átmérőjű sziklák. (Erre egy lehetséges megoldást jelent, ha a kis "kőzetbolyhok" egy, a csillag körüli korong síkjában lévő, vékony rétegben ülepednek le, és ezen réteg gravitációs instabilitása vezet a nagyobb testek létrejöttéhez).

A főként gázból álló óriásbolygók esetében eleinte az összeomlásos (kollapszusos) elmélet látszott reálisnak. Eszerint az óriásbolygók "mini-csillagokként", a korong anyagában lévő, sűrűbb gázcsomók összehúzódásából alakulnak ki, a körülöttük lévő holdak pedig a kőzetbolygók mintájára keletkeznek. Később kiderült, hogy ennek a teóriának több gyenge pontja is van, ezért jelenleg az ún. magakkréciós modellt részesítik előnyben, mely alapján a csillagtól távolabb lévő zónákban először nagy méretű "jégmagok" keletkeznek, amik nagy mennyiségű gázt magukhoz vonzva szolgálnak a Jupiterhez hasonló planéták kezdeményeiként.

A dolgokat bonyolítja, hogy mára egyértelműen világossá kezd válni, hogy a bolygók egy része nem a végső, stabil keringést lehetővé tévő pozíciójában születik, hanem attól esetleg jóval távolabb, vagyis a fiatal bolygókezdemények (planetezimálok) intenzív "vándorlási" (migrációs) tevékenységet folytatnak, amely révén egymás fejlődését is erősen befolyásolják. Bár ez az elmélet elsősorban a csillagukhoz nagyon közel keringő óriásbolygók, az ún. forró jupiterek kapcsán merült fel, néhány kutató úgy véli, ez a vándorlási folyamat talán jóval általánosabb, mint korábban gondoltuk.

Ezen gondolatmenet mentén egy új bolygókeletkezési elmélet is született, mely szerint a protoplanetáris korongok nagyobb tömegűek, mint korábban vélték, és bennük először akár 10 jupitertömeget is elérő gázcsomók alakulnak ki, a központi égitesttől nagy távolságban. Kezdetben hideg, felfúvódott állapotban vannak, belsejükben nem játszódnak le erős hőterjedési folyamatok, így központi régióikban megindul a porszemcsék lassú ülepedése. A "bolygóembriók" a korong anyagával történő kölcsönhatások miatt folyamatosan a rendszer belsőbb tartományai felé vándorolnak, közben külső tartományaik összehúzódnak, de belsejükben kialakul egy fokozatosan növekvő, szilárd mag. Mikor a bolygókezdemények már csak néhány csillagászati egységre vannak a csillagtól, külső gázrétegük nagy részét elvesztik. Ha ez teljes mértékben végbemegy, akkor nagy méretű kőzetbolygókká ("szuperföldek"), ha csak részben, akkor a Jupiterhez hasonló égitestekké válnak.

Pillanatképek Nayakshin és Cha bolygókeletkezési szimulációiból, az indítás pillanatától számított 4680. és 5000. év közötti időszakból. A csillag 300 csillagászati egység sugarú környezetét bemutató ábrákon a sárga foltok a kialakuló, akár 10 jupitertömegű bolygóembriók, míg piros színnel a további nagyobb sűrűségű tartományok vannak jelölve. A csillaghoz legközelebbi bolygókezdemény egy másik planetezimállal való kölcsönhatás miatt impulzusmomentumot veszít, túl közel kerül a csillaghoz, és megsemmisül. A szimuláció egy szakasza animáció formájában is megtekinthető.
[S.-H. Cha és S. Nayakshin]

Sergei Nayakshin és tanítványa, Seung-Hoon Cha (University of Leicester) a közelmúltban publikált tanulmányukban numerikus szimulációik eredményeit ismertetik, melyek megerősítik az elképzelés létjogosultságát. A hidrodinamikai modelleken alapuló számítások során Nayakshin és fiatal kollégája elő tudta állítani a nagy tömegű gázcsomók kialakulását és azok vándorlását. Szimulációikban jól megfigyelhető a bolygóembriók vándorlása, és az is, hogy a csillaghoz túl közel kerülő planetezimálok akár meg is semmisülhetnek. Az egyik modell futtatása során az egyik csomóból egy nem túl elnyúlt (0,1-es lapultságú) pályán mozgó, körülbelül 7,5 földtömegű, a szuperföldek kategóriájába eső égitest alakult ki a csillagtól mintegy 8 csillagászati egység távolságra. Ez azért különösen fontos eredmény, mert bár ilyen égitesteket már ismerünk, keletkezésükkel kapcsolatban eddig nem nagyon álltak rendelkezésre kiforrott elképzelések.

Az ábra színei a porszemcsék, illetve kőzetdarabok átlagos nagyságát jelzik (a zöld a néhány cm-es, a piros a deciméteres, a sárga a méteres, illetve annál nagyobb tartományt). A vizsgált, körülbelül 5400 éves szakasz vége felé a csillagtól mintegy 8 csillagászati egység távolságban egy egykori gázcsomó magja, azaz egy nagy méretű kőzetbolygó (szuperföld) kezdeti állapota látható (sárga pont a csillagtól jobbra). A középső tartományban szintén nagyobb az átlagos szemcseméret, ott kisebb kőzetbolygók, illetve aszteroidák keletkezése mehet végbe.
[S.-H. Cha és S. Nayakshin]

A szerzők megjegyzik, hogy eredményeik - bár fontos lépésnek számítanak - egyelőre csak azt jelentik, hogy az új bolygókeletkezési modellnek van létjogosultsága; hogy valóban születnek-e így bolygók, azt még további eredményeknek kell igazolniuk.

Az eredményeket részletező szakcikk a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• arXiv:1010.1489v1 [astro-ph.EP]