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.
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?
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.
(ELKH)
