2012.08.21. - A tudomány nevében elpárologtatott Föld

Vajon milyen egy bolygónkhoz hasonló planéta légköre, ha olyan közel kering a csillagához, hogy a felszínét borító kőzet elpárolog? A választ a Földet elpárologtató számítógépes modellek adják meg. Csak semmi pánik!

Douglas Adams Galaxis útikalauz stopposoknak című kultikus regényében a vogonok elpusztították a Földet, mivel bolygónk éppen egy galaktikus hipersztráda útjában volt. A csillagászok azonban kevésbé drasztikus célt tűztek maguk elé: az exobolygók kémiai összetételének megismerése céljából planétánkat csak virtuálisan, számítógépes szimulációk keretében párologtatják el.

A mai napig körülbelül 800 megerősített exobolygót ismerünk, ezeknek egy töredéke az ún. szuperföldek kategóriájába tartozik, mivel tömegük csak néhányszor nagyobb bolygónkénál. Néhány szuperföld olyan közel kering a csillagához, hogy a magas hőmérséklet miatt már nem lehet szó szilárd felszínről. 270 °C és 1700 °C között ezeknek a szuperforró szuperföldeknek a kérge és a köpenye is elkezd megolvadni és párologni. Az ennek eredményeként kialakuló légkört azonban nem egyszerű megérteni, mivel a Naprendszerben még hasonlóra sincs példa.

A földszerű exobolygókra a megfigyelésekből egy átlagos sűrűséget lehet meghatározni, de általában több összetétel-kombináció is eredményezheti az adott partikuláris sűrűséget, ez az ún. degeneráció problémája. Például a GJ 1214b jelű bolygónak állhat a légköre hidrogénből vagy héliumból is, de lehet akár vízből álló világ is gőz atmoszférával. A szuperföldek légkörének színképei segíthetnek az összetétel meghatározásában - valószínűleg ez lesz majd a megoldás -, de ezeket a ma még egyáltalán nem rutinszerűen rögzíthető spektrumokat modellatmoszférákkal kell összehasonlítani, hogy valóban megértsük az idegen világokat.

Fantáziarajz a CoRoT-7b jelű exobolygó olvadt felszínéről.
[ESO/L. Calçada]

Bruce Fegley (Washington University, St. Louis) és munkatársai ennek érdekében párolgási szimulációkat futtattak. Két hipotetikus bolygót modelleztek, az egyik összetétele a Földéhez volt hasonló, míg a másik nagy mennyiségű szilikátot tartalmazott (BSE, bulk silicate Earth). A BSE modell a Föld azon állapotához hasonlít, mielőtt a kérge kialakult. A földkéreg sok gránitot tartalmaz, ennek létrejöttéhez viszont víz szükséges. Míg mindkét modell főként szilíciumot és oxigént tartalmaz (felzikus), a BSE bolygó kérge gazdagabb volt vasban és magnéziumban (mafikus). A párolgás modellezésénél figyelembe vették a hőmérsékletet és a nyomást is.

A szimulációk célja tulajdonképpen a spektroszkópiailag észlelhető molekulák gyakoriságának előrejelzése volt. Fegley és kollégái ki tudták számolni, hogy milyen elemek párolognának el ezekben a pokoli világokban. Mindkét esetben azt tapasztalták, hogy a légkört a vízgőz dominálná, de a széntartalmú sziklák párolgása sok szén-dioxidot is juttatna az atmoszférába. Ezek mellett a BSE modellben 730 °C alatt megjelent a metán és az ammónia is, ezen hőmérséklet felett pedig egy kén-dioxid által dominált légkör állt elő. 1430 °C felett mindkét modellben megjelent a SiO, ami akár kondenzálódhat is és "kavicseső" formájában lehullhat.

Fegley szerint a degeneráció problémája is kezelhető, ha mind az atmoszféra hőmérséklete, mind a nyomása ismert. Ha a színképvonalak kialakulási régióinak ezen paraméterei rendelkezésre állnak, össze lehet hasonlítani az előrejelzett és a megfigyelt gázgyakoriságokat és elméletileg lehet dönteni a különböző összetételek között, például vízben gazdag vagy szegény, felzikus vagy mafikus. Fegley véleménye azonban az, hogy valós döntési esély jelenleg még csak a vizes esetekben van.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban jelent meg.

Forrás:

• Astronomy Now Online 2012.08.13.