2011.02.04. - Hatszoros fedési exobolygó-rendszert talált a Kepler-űrtávcső!

Kevés olyan exobolygó-rendszer ismert, melyben két fedési bolygót detektáltak, és eddig csak egy olyat fedeztek fel, melyben három ilyen planéta kering. A Kepler űrtávcső azonban most olyat talált, melyben hat van!

A fedési exobolygók azok a Naprendszeren kívüli planéták, melyek olyan pályán keringenek csillaguk körül, hogy pályasíkjuk nagyon közel esik a látóirányunkhoz, így periodikusan csillaguk elé kerülnek, annak fényében kicsiny, de mérhető csökkenést okozva. A 2009-ben felbocsátott Kepler űrteleszkópnak pontosan az ilyen bolygók keresése az egyik feladata, mivel a világűrből, a földi légkör zavaró hatásától mentesen sokkal kisebb amplitúdójú fényváltozások is kimutathatók, mint a földi bázisú észlelésekkel. A fedések megfigyelésével meghatározható a szóban forgó bolygó keringési periódusa és megbecsülhető a sugara is. Még kevés olyan exobolygó-rendszer ismert, melyben egynél több fedési planétát detektáltak, és mindössze egy, melyben bizonyítottan három ilyen bolygó kering. Ez utóbbi felfedezése is a Keplerhez fűződik: a Kepler-9b és Kepler-9c jelzéssel ellátott planéták mérete majdnem akkora, mint a Jupiteré, a Kepler-9d azonban már csak 1,6-szer nagyobb, mint a Föld, a Kepler-10b pedig még ennél is kisebb, jelenleg ez a Földhöz méretben legjobban hasonlító exobolygó. A többszörös fedést mutató bolygórendszerek esetében a keringési periódusok aránya már a rendszer dinamikájáról és stabilitásáról is szolgáltat információt, így az ilyenek detektálása és tanulmányozása különösen fontos.

A most felfedezett bolygórendszer központi csillaga, a Kepler-11 egy G színképtípusú, 14,2 magnitúdó látszó fényességű törpecsillag, távolsága körülbelül 2 ezer fényév. A Keck I teleszkóppal elvégzett színképelemzés alapján effektív hőmérséklete 5,680 ± 100 K. A hőmérsékletet, a felszíni gravitációs gyorsulást, a fémtartalmat és az egyenlítői rotációs sebességet fejlődési modellekkel összevetve a felfedezést jegyző, Jack Lissauer (NASA Ames Research Center) által vezetett kutatócsoport azt kapta, hogy a csillag tömege és sugara a Napénak 0,95-, illetve 1,1-szerese, mindkét esetben körülbelül 10%-nyi bizonytalansággal. Az adatok alapján a Kepler-11 tehát a Napunkhoz nagyon hasonló csillag.

A Kepler-11 bolygóinak mérete a Föld, a Jupiter és a Kepler által korábban felfedezett fedési exobolygók méretével összehasonlítva.
[NASA/Kepler Mission]

Ha egy fedési rendszerben csak egy bolygó van, akkor annak fedései szigorúan periodikusan következnek be. Más a helyzet azonban, ha egynél több bolygó kering a csillag körül. Ha ezek olyan pályákon mozognak, melyek síkjai közel vannak egymáshoz, akkor jó esetben mindegyiknél megfigyelhető a fedés. Ezek bekövetkezésének időpontjában azonban a bolygók közötti gravitációs kölcsönhatások miatt csúszások lépnek fel, amint a planéták pályájukon hol gyorsabban, hol lassabban mozognak. Ezek az eltérések akkor a legnagyobbak, ha ún. rezonancia lép fel, azaz a keringési idők hányadosai jó közelítéssel kis egész számok hányadosaként írhatók fel, vagy a bolygók egymáshoz közeli pályákon keringenek. Előbbi a helyzet a Kepler-9b és Kepler-9c esetében, míg a Kepler-11 bolygóinál az utóbbi helyzet állt elő.

A hat bolygó közül (melyeket a csillagtól mért távolság szerint láttak el megfelelő betűjellel) a belső öt keringési periódusa 10 és 47 nap közé esik, ennek megfelelően a pályájuk fél nagytengelye 0,1 és 0,25 csillagászati egység között van. A hatodik, 'g' jelű bolygó valamivel tágabb pályán mozog, ennek fél nagytengelye 0,46 csillagászati egység, keringési periódusa pedig 118 nap. Látható tehát, hogy a Kepler-11 környezete valóban meglehetősen nagy "népsűrűségű", hiszen a pályaelemek alapján mind a hat bolygó a Merkúr naptávolpontján belül keringene, ha a Naprendszerbe helyezve képzeljük el őket. Lissauer és munkatársai szerint a belső öt égitest egymásra hatása egyértelműen kimutatható, így dinamikai alapon is megerősíthető, hogy valóban bolygókról van szó. A tágabb pálya miatt a hatodik esetében azonban a tömegre csak egy gyenge felső becslés (kisebb 300 földtömegnél) adható, így ebben az esetben dinamikai bizonyítékokkal nem támasztható alá annak bolygó volta.

A bolygótömeg és a bolygósugár közötti összefüggés különböző összetételeket feltételezve. A betűk az új rendszer komponenseire vonatkoznak. Az ellipszisek méretei a megfelelő hibákról adnak tájékoztatást, míg a színeik a bolygók hőmérsékletét kódolják. A kék 700, a narancssárga 1500, a vörös pedig 2000 K körüli értéknek felel meg. Az ábrán összehasonlításként feltüntettek három további exobolygót, illetve négy naprendszerbeli bolygót is.
[NASA/Kepler Mission]

Érdekes probléma egy ilyen zsúfolt rendszer hosszú távú dinamikai stabilitásának kérdése. Numerikus szimulációk szerint egy olyan rendszer, ami legalább három, egymástól nagyjából egyenlő távolságra lévő pályán keringő bolygóból áll, csak akkor lehet legalább 10 milliárd keringésig stabil, ha a fél nagytengelyek közti különbség elér egy bizonyos, az ún. Hill-rádiuszokkal kapcsolatba hozható kritikus értéket. A Kepler-11 rendszerében ez a feltétel minden bolygópár esetében teljesül, kivéve a belső, b-c párt. Ezek is elég messze vannak egymástól, hogy pályájuk Hill-féle értelemben stabil legyen, ha eltekintünk a többi bolygó hatásától (háromtest-probléma), és elég távol vannak a többitől ahhoz, hogy a két alrendszer csak gyenge hatást gyakoroljon egymásra. A stabilitás tehát lehetséges, de nem biztos. A 250 millió évet átfogó numerikus integrálás alapján a középmozgásokban és az excentricitásokban gyenge kaotikus viselkedés is megfigyelhető, a változások azonban nem akkorák, hogy megkérdőjeleznék a hosszútávú stabilitás lehetőségét.

Fantáziarajz a Kepler-11 bolygórendszeréről.
[NASA/Tim Pyle]

A kutatók arra nézve is végeztek numerikus szimulációkat, hogy a Kepler-11 bolygóinak pályasíkjai mennyire vannak közel egymáshoz, hasonlóan a Naprendszer bolygóinak pályasíkjaihoz. Ennek eredményeként azt kapták, hogy egyedül az 'e' jelű bolygó inklinációja különbözik szignifikánsan a 90°-tól. A koplanaritás foka és a bolygópályák sűrűsége azt jelzi, hogy a rendszer a bolygókeletkezés végső fázisában van.

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2011. február 3-i számában jelent meg.

Forrás:

• NASA News 2011.02.02.