Előfizetés a lapra

Bolygók és örvények

asztrofizika, bolygókeletkezés, exobolygó, OTKA, örvény, űrkutatás

2016/12/21

Napjaink egyik legizgalmasabb témája az exobolygó-kutatás. Már több mint 3000 ilyen égitestet találtak, keletkezésük azonban még nem teljesen ismert. Regály Zsolt az MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének tudományos főmunkatársa a korábbi elméletek tanulságai alapján az örvénykeltette bolygókeletkezési modellt tartja lehetséges megoldásnak. Az OTKA támogatásával ennek az elméletnek a részleteit dolgozza ki. Kutatómunkáját az MTA támogatásával létrehozott 3D Numerikus Asztrofizika Labor keretein belül végzi.

–

- A bolygók felfedezése a nagyközönség szemében ma is a csillagászat romantikus ágához tartozik. Önt is ez irányította erre a területre?

–- Én csak az utóbbi 4-5 évben kezdtem el bolygókeletkezéssel foglalkozni. Mindig is szerettem a sci-fi világát, gyerekként a csillagászat természetes közegnek tűnt számomra. Már 14 évesen az Uránia Csillagvizsgáló szakkörébe jártam Both Elődhöz, és vé­gül csillagász dip-lomát szereztem az ELTE-n. Fordulópontot jelentett tudományos pályafutásomban, amikor meglátogattam egy barátomat Heidelbergben, aki a Max-Planck-Ins­titute für Astronomie intézetben dolgozott csillagász­kutatóként. Barátom ottani főnökével beszélgettünk, és szóba került a bolygókeletkezés kérdése. Tartott nekem egy kéthetes „fejtágítót”, s ennek hatására alaposan beleástam magam a témába, olyannyira, hogy 2012-ben ebben a témában szereztem PhD-fokozatot az ELTE-n. Az én esetemben a bolygókeletkezés kutatása nem egy romantikus, gyermekkori álom megvalósulása, hanem egy véletlen találkozás, beszélgetés „következménye”. A témát jobban megismerve viszont rájöttem, hogy még mindig nem ismerjük ennek a folyamatnak minden részletét.

-– Mi a baj a korábbi elméletekkel?

-– A bolygók a csillagkeletkezés során létrejövő korongból, az úgynevezett protoplanetáris korongból alakulnak ki. A Naprendszer keletkezésének elméleti alapjait a XVIII. század közepén Sweden­borg, Kant és Laplace fogalmazták meg. Az elmélet kvantitatív kidolgozása azonban csak a XX. század közepén jelent meg.

 A bolygókeletkezés részleteit két rivális elmélet igyekszik leírni. Az egyik a gravitációs instabilitás, mely szerint, ha egy korongban ele­gendően nagy tömegű anyagcsomó keletkezik, akkor a gáz saját gravitációjának hatására egyre több anya­got vonz magához, összesűrűsödik, és kialakul a gázbolygó. Ez az elmélet azért „hálás”, mert a bolygók így a csillagokhoz hasonlóan keletkeznek. Ezzel azonban van egy kis probléma. A csillag felmelegíti a korongot, ezért csak a csillagtól nagyon távol tud beindulni a bolygókeletkezés. Az exobolygók többsége viszont közel, egy csillagászati egységnél közelebb kering csillagához. A másik, elterjedtebb teória a bolygómag-akkréció, mely szerint a bolygók a korong porszemcséiből alakulnak ki. A szemcsék nagyon picik, 0,1 ľm méretűek. Ebből kell a szilárd bolygómagnak kialakulnia, ami 13 méretnagyságrendnyi növekedést jelent. Az elmélet szerint a porrészecskék kavicsokká, aszte­ro­idákká és végül bolygómagokká sűrűsödnek. A bolygómagok egyre nagyobbak lesznek, saját gravitációjuk erősödik, felgyorsítva a szilárd anyag beáramlását. Így keletkeznek a földszerű bolygók. Ha azonban a szilárd bolygómag a Föld tömegének tízszeresére hízik, több Jupiter tömegű gázköpenyt is begyűjthet. Így jönnek létre az gázóriások.

 Nagyléptékű örvény kialakulásának hidrodinamikai szimulációja

A bolygómag-akkréciós elméletnek is vannak hiányosságai, például nem veszi figyelembe, hogy a protoplanetáris korongban keringő kavicsok nagy sebességgel ütköznek és szétmorzsolják egymást. Az elmélet elhanyagolja a korongbeli gázzal kölcsönhatásba lépő méteres részecskék behullását a csillagba.

 Mind két bolygókeletkezési elméletnek van egy további problémája. A fiatal bolygók kölcsönhatva a koronggázzal a csillag felé irányuló migrációba kezdenek. Ennek következtében a bolygókat pár millió év alatt elnyelné saját csillaguk. Mivel mára világossá vált, hogy több bolygó van, mint csillag, valaminek meg kell akadályoznia ezt a migrációt.

– - Az örvény-modell lesz a megoldás?

 –- Az örvény-modell lehet az egyik megoldás. A teória egy óriási örvény magjába helyezi a bolygómag-akkréciós folyamatot, ahol kicsi az ütközési sebesség, össze tudnak tapadni a porszemcsék, melyek az örvény szemében kialakuló nyomásmaximum miatt nem esnek bele a csillagba. Azt, hogy egy örvény hogyan hat a bolygókra, illetve hogyan hatnak vissza a bolygók az örvényre, még nem tudom. Sok minden mást is tisztázni kell: hogyan működik a gáz por­gyűjtő mechanizmusa, mennyi idő alatt mennyi por gyűlik össze stb.

-– Tulajdonképpen mik ezek az örvények?

–-  Az örvények és a boly­gókeletkezés kapcsolatát elsőként Descartes vetette fel, kvantiatív vizsgálatát pedig von Weiz­säcker végezte el a múlt század közepén. Ma azt gondoljuk, hogy a Föld légkörében a Rossby-hul­lá­mok keltette anticiklonokhoz hasonló örvények protoplanetáris korongokban is létrejöhetnek. Ez sokféleképpen megvalósulhat, például úgy, hogy a csillagtól bizonyos távolságban a korong ioni­zá­ció­jának mértéke hirtelen megváltozik, aminek következtében sű­rű­ség­­maxi­mum keletkezik. Rossby­-hul­lám instabilitás gerjesztődik, sok kis örvény jön létre, amelyek később egy óriási örvényben egyesülnek.

Örvény az SR21 fiatal protoplanetéris korongban.  Mikrohullámú szimulált kép.

Egy bolygó és a korongja kölcsönhatását vizsgálva az egyik szimulációban azt vettem észre, hogy nagy, lópatkó alakú sűrűsödés keletkezett, amiről kiderült, hogy egy örvény. Láttam a szakirodalomban, hogy ismert jelenségről van szó, a csillagászati felvételek alapján pedig kiderült, hogy valóban léteznek olyan protoplanetáris korongok, amelyek így néznek ki.

– - Ezeket a kutatásokat lehet majd alkalmazni a Naprendszer keletkezésére is?

– - Persze, de azért bonyolultabb a helyzet, mint azt elsőre gondolnánk. Érdekes, hogy még nem találtunk a Naprendszerhez hasonló szerkezetű távoli bolygórendszert. Az sem biztos, hogy minden csillag körül ugyanaz a folyamat zajlik, tehát akár többféleképpen is keletkezhetnek bolygók. Találtak már bolygót fehér törpe, sőt pulzár körül is! A fehértörpe-állapot előtt a csillag óriási méretűre fújódik, aminek következtében elnyeli a bolygóit. A pulzárok olyan szupernóva-robbanás után visszamaradt objektumok, amelyek robbanásakor a csillag bolygóit elpusztító lökéshullámok keletkeznek. Ezért szerintem nem csak fiatal csillagok körül jönnek létre bolygók, de hogy milyen módon keletkezhetnek még, arról fogalmunk sincs.

–- Hogyan tudják ezt vizsgálni itt Magyarországon?

– - Hidrodinamikai modellezéssel, amivel például a repülőgépek szárnyának optimális alakját is tervezik. Ugyanazok az egyenletek, de mi arra használjuk őket, hogy megnézzük, hogyan kering a gáz a csillaga körül, hogyan hat kölcsön a korongbeli porral, kavicsokkal és fiatal boly­gókkal. Eddig jellemzően 2D-ben számoltuk modelljeinket, ami elég jó közelítés a csillagok körüli vékony korongokra, és 2D-ben kevesebb egyenletet is kell megoldanunk. Ahhoz azonban, hogy maradéktalanul megértsük a bolygókeletkezéskor zajló folyamatokat, 3D-s modelleket fogunk vizsgálni.

 A modelleket grafikus kártyákon számoljuk, me­lyek 10-100-szor gyor­sabbak, mint az asztali PC-k. Ezeket nehéz programozni, ezért viszonylag kevesen foglalkoznak ve­le, pedig a bolygókeletkezés most nagyon aktuális téma. 2016 nyarán az MTA infrastrukturális pályázata révén intézetünkben kiépíthettük 3D aszt­ro­fi­zi­ka laborunkat. Ez egy olyan komplex számítástechnikai rendszer, melynek segítségével valódi 3D-s numerikus modelleket tudunk számolni, és eredményeinket virtuális 3D-ben megjeleníteni. A kutatómunkával párhuzamosan nagy hang­súlyt kap az ismeretterjesztés is, ez ügyben már ősszel nagy előrelépés várható.

 

TRUPKA ZOLTÁN

2016/42