Magyar kutatók úttörő eredménye a bolygórendszerek születéséről

Másodpercenként születhet egy új bolygó a világegyetemben. A sok új égitest között bennünket természetesen a Földhöz hasonlóak érdekelnek leginkább, különösen azok, amelyeken akár az élet is megjelenhet. Néhány évtizeddel ezelőtt még csak becslések, modellek alapján volt feltételezhető, hol és milyen viszonyok között születnek az élet kialakulását lehetővé tévő planéták.

Mára a legnagyobb távcsöveknek köszönhetően változott a helyzet: a bolygó- és csillagkeletkezés folyamatának kezdeti szakaszába is bepillantást nyerhetünk, és egyre több pontos részletét ismerhetjük meg az égitestek születésének.

Fontos előrelépés történt e téren magyar kutatók közreműködésével: az Astrophysical Journal legutóbbi számában jelent meg Kóspál Ágnes és munkatársai cikke, akik a V346 Nor jelű fiatal csillag és környezete vizsgálata során tett megfigyeléseikről számolnak be. A V346 Nor egy 0,1 naptömegű, néhány százezer éves, jelenleg is növekvő protocsillag, feltehetőleg most állnak össze körülötte az első bolygók. Ideális célpont annak elemzésére, mi befolyásolhatja, hogy a kialakuló égitesteknek és környezetüknek milyen jellemzőik lesznek. Nem mindegy ugyanis, hogy milyen összetételű, hőmérsékletű, szemcseméretű anyagból áll a korong, ahol a bolygók növekednek.

A V346 Nor rendszerének felépítése Forrás: MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont

Mint az a fenti ábrán látható, a rendszer külső részén egy nagy, ritkás anyagburok helyezkedik el, amelyből a gáz és a por a központ felé hullik. Belül egy lapos korong található a születő csillag körül, amelynek belső részéről a csillag anyagot fog be, külső részét pedig a burokból behulló anyag táplálja. Ennek az utóbbi áramlásnak a mértékét sikerült most első alkalommal pontosan megmérni: a behulló anyag mennyisége évi két földtömeg (vagy másképpen Napunk tömegének közel egymilliomod része).

A legnagyobb távcsővel a legkisebb részletek nyomában

Az ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) rádióantenna-rendszer az Atacama-sivatag 5000 méter magas, száraz vidékén található.

Teljesen kiépített állapotában 66 darab 12 és 7 méter átmérőjű rádiótávcsőből áll majd, ezek nagyobb része már most is a helyén van, és üzemel.

A műszer a 350 mikrométer és 3 milliméter közötti hullámhosszakon vizsgálja az égboltot. Ebben a színképtartományban figyelhetők meg a csillagkeletkezési területek legsűrűbb részei és a fiatal csillagok környezete, melyek a látható tartományban nem észlelhetők.

Látványos kitörések

Az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont szakemberei a V346 Nor fiatal csillag körüli térséget nagyjából egy szögmásodperc felbontással örökítették meg, a gázanyag térbeli szerkezetét és mozgását elemezve. Megfigyeléseik középpontjában egy fiatal eruptív csillag állt, vagyis egy olyan, a fősorozati állapot felé közeledő protocsillag, amely még gyarapszik az őt körülvevő anyagból. Az ilyen típusú csillagok energiakibocsátása időben ingadozó, a korongból a központba hulló anyag mennyiségével arányos. Az egyenetlen anyagbefogás során időnként látványos kitörésekre kerül sor, ilyenkor a korong felforrósodik és átalakul – például a por egy része kristályos szerkezetűvé válik, mint ahogy azt a kutatócsoport munkatársai néhány éve kimutatták.

Noha még sok a bizonytalanság a fenti eseménysort illetően, Kóspál Ágnes és munkatársai egy még kevésbé ismert folyamatot is elemeztek és azonosítottak a rendszerben. Az bizonyos, hogy a korongról a csillagra hullik az anyag.

Az viszont mostanáig nem volt ismert, miként jut gáz és por a korongra abból a távolabbi és diffúz felhőből, amelyben a rendszer elhelyezkedik.

A korongra hulló anyag mennyisége ugyanis sokkal nagyobb, mint a korongból a csillagra irányuló, megfigyelt áramlási ráta – a korong tehát egy ideig „visszatartja az anyagot”.

A magyar kutatók elsőként mutatták ki konkrét numerikus értékekkel, hogy évente mennyi anyag hullik a burokból a korongra, ahol halmozódni kezd, majd onnan egyenetlen ütemben áramlik tovább a csillagra.

A mérések során a szén-monoxid-molekula több színképvonalát és a por 1,3 milliméter hullámhosszú sugárzását elemezve feltérképezték a korong anyagának helyzetét és mozgását. A központi protocsillag körül 350 csillagászati egység sugarú zónában a legsűrűbb a gáz és a por (1 csillagászati egység egyenlő az átlagos Föld–Nap-távolsággal, azaz kb. 150 millió km-rel). Itt a korongba rendeződött anyag keringési sebességét a központi égitest gravitációs tere határozza meg. Ide egy kiterjedtebb, lapult korongszerű struktúrából, a pszeudokorongból áramlik az anyag, amely mozgásában még részben őrzi a távolabb húzódó ritka gázburokból bezuhanó anyag perdületét.

A pszeudokorongra évente két földtömegnyi anyag esik a mérések alapján.

Ez lényegesen több, mint a belső csillag körüli korong anyagának a protocsillagra való hullási üteme. A megfigyelések első ízben szolgáltatnak közvetlen bizonyítékot arra, hogy a hasonló fiatal égitestek kitörései akkor következnek be, amikor a belső és sűrűbb korongban annyira felhalmozódik az anyag, hogy valamilyen instabilitás következtében időlegesen megnövekszik a protocsillagra történő anyagáramlás üteme.

Nemzetközi csapat magyar vezetéssel

„Ez az első olyan mérés, amelynek keretében sikerült kitörésben lévő fiatal csillag esetében pontosan megállapítani a burokról a korongra és a korongról a csillagra történő anyagáramlás közti eltérés mértékét”– magyarázza Kóspál Ágnes. A magyar vezetésű nemzetközi csapat a kivételesen jó felbontású és érzékenységű ALMA rendszernek köszönhetően tehette meg felfedezését. Az eredmény megszületéséhez szükséges háttértudást jelentős részben az MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetben 2014 októberében indult „Csillagkörüli korongok dinamikája – csillag- és bolygókeletkezés az ALMA-korszakban (LP2014-6)” elnevezésű Lendület-kutatócsoport programja adta. Ennek keretében kristályosodott ki az a munkamódszer, amelyet a V346 Nor csillag elemzésére használtak.

Az ALMA távcsőrendszer néhány teleszkópja az Atacama-sivatagban Forrás: (ALMA, ESO, NRAO, NAOJ)

A fenti kutatás során összeállt, magyar és külföldi szakembereket magába foglaló csapat a jövőben célzottan folytatja a hasonló méréseket. Kóspál Ágnes ugyanis nemrég az Európai Kutatási Tanács (ERC) nagy presztízsű ösztöndíját is elnyerte, így hazánk a születő csillagok körüli korongok fizikájának megértése terén a nemzetközi élvonalba kerül.

A vizsgált témakör perspektivikus, ugyanis sejthető, hogy a fiatal csillagok kitörései közvetlen hatással vannak a korong anyagára. A V346 Nor rendszerében talán már most akadnak olyan bolygókezdemények, amelyek nagyobb égitestekké állnak majd össze, igaz, nagy részük a csillagba zuhanhat, vagy a kitörések miatt megsemmisülhet. Kóspál Ágnes és kollégái célja, hogy az ilyen dinamikus fiatal korongok kutatása révén a következő évtizedekben felderítsék, milyen lépések vezetnek a bolygók keletkezéséhez, és mi befolyásolja kialakuló jellemzőiket.