Egy nemzetközi tudósokból álló kutatócsoport az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének tudományos főmunkatársa, Regály Zsolt vezetésével egy olyan fizikai folyamatot fedezett fel, amely bolygóbölcsők sokaságát hozhatja létre. Az új bolygókeletkezési hipotézis magyarázatot adhat többek között arra, hogyan keletkeztek a Föld-szerű bolygók vagy a Jupiter méretű óriásbolygók. A felfedezésről az Angol Királyi Csillagászati Társaság havilapjában, a rangos Monthly Notices of the Royal Astronomical Society szaklapban számoltak be a kutatók.

Ha felnézünk az égre, azt láthatjuk, hogy megszámlálhatatlanul sok fényes csillag pislákol a fejünk felett. Talán nem is gondolnánk, de sokkal több bolygó létezik, mint csillag. Ezeknek a távoli bolygórendszereknek a többsége szerkezetileg lényegesen eltér a mi Naprendszerünktől. A tudomány mai ismeretei szerint a bolygókeletkezési hipotézisek nem teljesen helytállóak. Hogyan lehetséges, hogy bár az Univerzum leggyakoribb objektumai a bolygók, mégsem értjük teljesen a keletkezésüket?

Miért okoz nehézséget a kutatóknak a bolygók keletkezésének megértése?

A huszadik században az az elgondolás vált elfogadottá, hogy a csillagok hatalmas gázfelhők közepén keletkeznek. A folyamat során az impulzusmomentum megmarad, és a gázfelhő maradványa összelapul egy koronggá. Ez a protoplanetáris korong, amelyben a bolygók keletkeznek.

Protoplanetáris korong művészi ábrázolása (Forrás: Flickr)

Kutatók különböző elméleteket dolgoztak ki arra vonatkozóan, hogy ebből a maradványanyagból hogyan sűrűsödik össze egy bolygó. A jelenlegi ismeretek szerint a bolygókeletkezés magyarázatára két eltérő hipotézis létezik: az egyik a gravitációs instabilitás, a másik pedig a bolygómag-akkréció elmélete. Maga a bolygókeletkezés folyamata annyira bonyolult, hogy ezeknek az összehúzódó gázfelhőknek a viselkedése csak numerikus szimulációk segítségével vizsgálható, azaz csak nagy teljesítményű számítógépek segítségével modellezhető. Az ilyen vizsgálatok eredményeként már tudjuk, hogy a két korábbi elmélet nem teljesen helytálló.

A bolygókeletkezés két korábbi hipotézisének kritikája

A bolygókeletkezésnél fontos szempont, hogy a protoplanetáris korongok nem léteznek örökké, élettartamuk általában kevesebb mint ötmillió év. Ennyi idő alatt kell tehát létrejönniük a bolygóknak. A Jupiter keletkezéséhez például először közel tíz földtömegnyi szilárd anyagnak, majd közel háromszázszor akkora tömegű gázköpenynek kellett összegyűlnie.

A gravitációs instabilitás tulajdonképpen ugyanaz a fizikai folyamat, ami a csillagokat létrehozza. Numerikus hidrodinamikai szimulációk vizsgálata arra az eredményre vezetett, hogy egy Jupiter méretű gázcsomó nem tud összesűrűsödni, mert a folyamat közben a gáz annyira felmelegszik, hogy nem engedi tovább sűrűsödni az anyagot. A számítások szerint tehát az elmélet a protoplanetáris korong fizikai tulajdonságai miatt nem, vagy csak a csillagtól nagy távolságban működőképes.

A bolygómag-akkréció hipotézise szerint a protoplanetáris korong kis méretű porszemcséi ütközésük során összetapadnak, majd szép lassan összeállnak a bolygócsírák, amelyek később bolygókká növekednek. Ezzel a feltevéssel kapcsolatban több probléma is ismert. Az egyik legnagyobb az, hogy a folyamat során a szikla méretűre növekedett szilárd testek – az úgynevezett planetezimálok – a korong gázának közegellenállása miatt gyorsan bezuhannak a csillagba, így a korongból hamar eltűnnek a bolygók építőkövei.

Az anticiklonális örvények mint bolygóbölcsők

A Regály Zsolt által vezetett nemzetközi kutatócsoport egy olyan fizikai folyamatot fedezett fel, amely bolygóbölcsők sokaságát hozhatja létre a protoplanetáris korongban, ezzel lehetséges magyarázatot adva a Föld-szerű vagy a Jupiter méretű óriásbolygók keletkezésére. Az eddig is ismert volt, hogy a protoplanetáris korongokban kialakulhat anticiklonális örvény, amelyben a gáz a csillag körüli keringéssel ellentétes irányban örvénylik. Az anticiklonális örvények igen hatékonyan tudnak szilárd anyagot begyűjteni, ezért bennük megnő a valószínűsége a porszemcsék találkozásának és összetapadásának. Az ilyen örvény emellett még meg is óvja az ott létrejött planetezimálokat a csillagba történő beeséstől, így az örvényekben ideális feltételek alakulnak ki a bolygókeletkezéshez. De hogyan keletkezhet ilyen örvények sokasága?

Örvények sokasága a protoplanetáris korongban

A gáz és a porszemcsék dinamikáját a korong viszkozitása, azaz a benne lévő anyag belső súrlódásának mértéke befolyásolja. Az új elmélet szerint a korong viszkozitása függ attól, hogy mennyi por van a környezetben. Ennek az okát abban kell keresni, hogy a korong viszkozitása egy bonyolult folyamat, a szabad ionok és a csillag mágneses terének kölcsönhatása révén alakul ki. A kutatók hipotézise szerint a protoplanetáris korongok dinamikáját maga a por is befolyásolja, hiszen az megkötheti a korongban lévő szabad ionokat, ami lecsökkentheti a viszkozitás mértékét.

Ha a korongban valahol kismértékű porsűrűsödés jelenik meg, ott lecsökken a szabad ionok száma, és ezért alacsonyabb lesz a viszkozitás. Ahol lecsökken a viszkozitás, ott a gázdinamika miatt megnő a gáz sűrűsége is, ami beszippantja a port, ennek hatására pedig még jobban lecsökken a viszkozitás. Ezen pozitív visszacsatolás következtében kis örvények keletkeznek, amelyek újabb örvényeket keltenek.

A kutatók kétdimenziós numerikus hidrodinamikai szimulációk segítségével vizsgálták az örvények számát, illetve hogy mennyire stabilak; mennyi port gyűjtenek. A vizsgálat szerint az örvénykaszkád hosszú életű örvényeket hoz létre, amelyek hamar potenciális bolygóbölcsőkké válnak, ez pedig egy teljes bolygórendszer keletkezését eredményezheti. A kutatás rávilágított arra, hogy a bolygórendszerek sokkal gyorsabban is keletkezhetnek, mint azt korábban gondoltuk.

A fentiek alapján elmondható, hogy ez az egyedülálló felfedezés magyarázatot adhat a bolygókeletkezés régóta kutatott jelenségére. Ahhoz, hogy a hipotézis teljes bizonyosságot nyerjen, még szükség van az örvénykaszkád részletesebb, háromdimenziós vizsgálatára. A projekt folytatásával a kutatók választ kaphatnak arra is, hogyan keletkezhetett a Naprendszer és az attól lényegesen eltérő szerkezetű, távoli bolygórendszerek.