Kép jóváírása: NASA
Ha egy távoli csillag körül elhelyezkedő idegen csillagászok négy és fél milliárd évvel ezelőtt tanulmányozták a fiatal Napot, láthattak-e jeleket az újonnan kialakult Föld körül, amely ezen ártalmatlan sárga csillag körül kering? Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) és Benjamin Bromley (Utah University) szerint a válasz igen. Sőt, számítógépes modelljük szerint ugyanazokat a jeleket használhatjuk azoknak a helyeknek a megkeresésére is, ahol a Föld méretű bolygók jelenleg formálódnak, fiatal világok, amelyek egy nap a saját életükben élhetnek.
Az újszülött Föld megtalálásának kulcsa, mondjuk Kenyon és Bromley, nem magának a bolygónak a keresése, hanem a csillag körül keringő porgyűrű, amely a földi (sziklás) bolygóképződés ujjlenyomata.
„Ha por gyűrű van, akkor van egy bolygó is” - mondja Kenyon.
A jó bolygót nehéz megtalálni
Naprendszerünk egy örvénylő gáz- és porkorongból, protoplanetáris korongból áll, amely a fiatal Nap körül kering. Ugyanazok az anyagok megtalálhatók az egész galaxisunkban, tehát a fizikai törvények előrejelzik, hogy más csillagrendszerek hasonló módon bolygót képeznek.
Bár a bolygók gyakran előfordulhatnak, nehéz felismerni őket, mert túl halványak és túl sokkal fényesebb csillaghoz közel helyezkednek el. Ezért a csillagászok bolygókra keresnek létezésük közvetett bizonyítékait keresve. A fiatal bolygórendszerekben ez a bizonyíték lehet jelen a magában a korongban, és arról, hogy a bolygó hogyan befolyásolja a poros korongot, ahonnan kialakul.
A nagy, Jupiter méretű bolygók erős gravitációval rendelkeznek. Ez a gravitáció erősen befolyásolja a poros lemezt. Egyetlen Jupiter tisztíthat egy gyűrű alakú rést a korongban, elforgathatja a lemezt, vagy koncentrált pormintákat hozhat létre, amelyek olyan mintát hagynak a korongban, mint egy hajó nyomán. Egy hatalmas bolygó jelenléte magyarázhatja a 350 millió éves Vega csillag körül a korongban ébredő mintázatot.
A kicsi, föld méretű világok viszont gyengébb gravitációval rendelkeznek. Gyengébben befolyásolják a lemezt, finomabb jeleket hagyva jelenlétükről. A daganatok vagy ébresztések keresése helyett Kenyon és Bromley azt javasolja, hogy nézzék meg, mennyire fényes a csillagrendszer az infravörös (IR) fényhullámhosszon. (Az infravörös fény, amelyet hőként érzékelünk, hosszabb hullámhosszú és kevesebb energiájú fény, mint a látható fény.)
A poros lemezekkel ellátott csillagok IR-n fényesebbek, mint a lemezek nélküli csillagok. Minél több port tart egy csillagrendszer, annál világosabb az IR-ben. Kenyon és Bromley megmutatták, hogy a csillagászok az IR fényerősségét nemcsak a lemez felismerésére használhatják, hanem azt is, hogy megtudják, mikor alakul a föld méretű bolygó az adott lemezen.
"Mi voltunk az elsők, akik kiszámítottuk a porképződés várható szintjét és az ehhez kapcsolódó infravörös többleteket, és az elsők, akik bebizonyították, hogy a földi bolygóképződés megfigyelhető mennyiségű port hoz létre" - mondja Bromley.
Bolygók építése a földről felfelé
A bolygóképződés leggyakoribb elmélete a bolygók „az alapoktól felfelé történő” építését követeli meg. Az alvadási elmélet szerint a protoplanetáris korongban lévő apró szikladarabok összeesnek és összetapadnak. Több ezer év alatt a kis csomók egyre nagyobb és nagyobb csomókká alakulnak, mint például egy-egy marék hó egy hóember építése. Végül a sziklás csomók annyira növekednek, hogy teljes értékű bolygókká váljanak.
Kenyon és Bromley egy bonyolult számítógépes programmal modellezi a bolygóképződés folyamatát. Mindegyik 0,6 mérföld (1 kilométer) méretű protoplanetáris korongot „vetik” egy középső csillag körüli körüli körpályára, és időben előremozdítják a rendszert, hogy megfigyeljék, hogyan alakulnak a bolygók ezekből az alapanyagokból.
"A szimulációt olyan valósághűvé tettük, amennyire csak tudtunk, és még mindig ésszerű időn belül elvégezzük a számításokat" - mondja Bromley.
Megállapították, hogy a bolygóképződés folyamata rendkívül hatékony. Kezdetben a sík minták közötti ütközések alacsony sebességgel történnek, így az ütköző tárgyak hajlamosak összeolvadni és növekedni. Egy tipikus Föld-Nap távolságra csak kb. 1000 év szükséges, amíg az 1 kilométeres tárgyak 100 kilométeres (60 mérföld) objektumokká nőnek. Egy további 10 000 év 600 mérföldes átmérőjű protoplaneket hoz létre, amelyek további 10 000 év alatt nőnek, és 1200 mérföld átmérőjű protoplanettá válnak. Ennélfogva a Hold méretű tárgyak már alig 20 000 év alatt kialakulhatnak.
Ahogy a lemezen lévő síkminták nagyobbra és tömegesebbé válnak, gravitációjuk erősebb lesz. Amint néhány tárgy eléri a 600 mérföld méretét, elkezdenek „felkeverni” a fennmaradó kisebb tárgyakat. A gravitáció a kisebb, aszteroida méretű kődarabokat nagyobb és nagyobb sebességre dobja. Olyan gyorsan utaznak, hogy amikor összeütköznek, nem egyesülnek - porrá válnak, hevesen összetörték egymást. Miközben a legnagyobb protoplanetak növekednek, addig a sziklás síkok más részeit porként őrlik.
"A por ott áll, ahol a bolygó képződik, ugyanolyan távolságra a csillagától" - mondja Kenyon. Ennek eredményeként a por hőmérséklete jelzi, hogy a bolygó hol alakul ki. A Pénz a Vénusz-szerű pályán melegebb lesz, mint a por a Föld-szerű pályán, és ez jelzi a csecsemő bolygójának távolságát a csillagától.
A lemezen lévő legnagyobb tárgyak mérete meghatározza a porképződés mértékét. A pormennyiség akkor jelentkezik, amikor 600 mérföldes protoplanetak jönnek létre.
"A Spitzer űrteleszkópnak képesnek kell lennie az ilyen porcsúcsok érzékelésére" - mondja Bromley.
Jelenleg Kenyon és Bromley földi bolygóképző modellje a Naprendszernek csak egy töredékét fedi le, a Vénusz pályáján, a Föld és a Mars közötti félúton. A jövőben azt tervezik, hogy kibővítik a modellt, hogy olyan körüli pályákra terjedjenek ki, amelyek a Naphoz közel vannak, mint a Merkúr és a távoli, mint a Mars.
Modellezték a Kuiper-öv kialakulását is - a Neptunusz pályáján túlmutató kicsi, jeges és sziklás tárgyak régióját. A következő logikus lépés az olyan gáz óriások kialakulásának modellezése, mint a Jupiter és a Saturn.
"A naprendszer szélén kezdjük és befelé dolgozunk" - mondja Kenyon vigyorogva. „Mi is tömegesen dolgozunk ki. A Föld 1000-szer hatalmasabb, mint a Kuiper-öves tárgy, és a Jupiter 1000-szer hatalmasabb, mint a Föld. ”
"Legfőbb célunk az egész naprendszerünk kialakulásának modellezése és megértése." Kenyon becslése szerint céljuk egy évtized alatt elérhető, mivel a számítógép sebessége folyamatosan növekszik, lehetővé téve a teljes Naprendszer szimulációját.
Ezt a kutatást az Astrophysical Journal Letters 2004. február 20-i kiadásában tették közzé. További információk és animációk elérhetők a következő címen: http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
A székhelyű, Cambridge-ben (Massachusetts) található Harvard-Smithsonian Astrofizikai Központ a Smithsonian Astrophysical Observatory és a Harvard College Observatory közös együttműködése. A CfA tudósok, amelyek hat kutatási részleget alkotnak, megvizsgálják az univerzum eredetét, fejlődését és végső sorsát.
Eredeti forrás: CfA sajtóközlemény
