Ezeket extraszoláris bolygóknak vagy másképp exobolygóknak nevezzük. Jelenleg a felfedezett exobolygók száma meghaladja az 5300-at, vizsgálatuk pedig sok szempontból kiemelt fontosságú. Amellett, hogy a Földhöz hasonló bolygókat keresünk, amelyeken az életre utaló nyomok után kutatunk, az exobolygók vizsgálata feltárhatja a bolygórendszerek születésének és dinamikájának titkait is. Következő cikkünkben bemutatjuk az exobolygók felfedezésének módszereit, illetve típusait.
Az exobolygók létezése nem mindig volt egyértelmű: sokáig az emberek úgy hitték, hogy csak a Nap körül léteznek bolygók, és azok közül is kizárólag a Földön alakulhatott ki élet. Ezen gondolkodásmódból először Giordano Bruno tört ki a 16. században, aki felvetette azt a gondolatot, miszerint más csillagok körül is keringhetnek bolygók, amelyek akár a Földhöz is hasonlíthatnak. Ezt a nézetet nagyon sokáig nem fogadták el, s végül nemrég, az 1990-es években nyert végső bizonyítást a Naprendszerzen kívüli bolygók léte, amelyet 2019-ben Nobel-díjjal is jutalmaztak. 1992-ben rádiócsillagászok felfedeztek egy bolygót egy gyorsan forgó neutroncsillag körül, majd később 1995-ben svájci kutatók kimutattak egy exobolygót egy másik csillag, az 51 Pegasi körül. Ekkor alakult ki az exobolygók nevezéktana is, amelyet napjainkban is használunk: a bolygó neve a központi csillag neve után egy kisbetűt tartalmaz, az ábécé b betűjétől kezdve. A Naphoz hasonló csillaghoz tartozó első exobolygó neve tehát 51 Pegasi b lett.
Az első Naprendszeren kívüli bolygó felfedezése után nagy lelkesedéssel fordult a kutatói közösség az exobolygók felé, s különböző felfedezési módszerekkel napjainkban is egyre több, akár extrém környezetben előforduló vagy a Földtől igencsak eltérő Naprendszeren kívüli bolygót detektáltak, sőt már szülőbolygónkhoz hasonlóakat is találtak. Nézzük meg részleteiben a legfontosabb felfedezési módszereket!
Felfedezési módszerek
1. Direkt módszer / közvetlen képalkotás
Bár ez egy igen logikus és egyszerű módszernek tűnik, valójában nem sok exobolygó kimutatása lehetséges ilyen formában. A közvetlen képalkotás lényege ugyanis, hogy leképezzük egy csillag környezetét, és további fényes pontokat igyekszünk azonosítani körülötte. Ez azonban nehézkes, hiszen egy bolygó sokkal halványabb, mint a központi csillaga, és emellett ahhoz, hogy a képen felbonthatóvá váljon, a csillagtól távol kell keringenie. Éppen ezért a látható tartomány helyett ezt a módszert leginkább az infravörös tartományban alkalmazzák olyan módon, hogy kitakarják a központi csillagot, és további fénypontok után kutatnak a rendszerben.
2. A radiális/látóirányú sebesség mérése
Mint az már régóta ismert, egy csillag körül lévő bolygó a két test közös tömegközéppontja körül kering. Éppen ezért a bolygó keringése során kis mértékben a csillag is elmozdul, amelynek következtében valamikor távolodik, máskor pedig közeledik a megfigyelő látóirányához, vagyis a radiális irányhoz képest. Ez a távolodás és közeledés kimutatható a csillag színképvonalainak Doppler-eltolódását megmérve, és ilyen módon felrajzolható egy görbe, amely megmutatja a látóirányú sebesség időbeli változását. Ebből a görbéből a csillag-bolygó rendszernek számos paraméterére következtethetünk: az exobolygó periódusidejére, a csillag, illetve a bolygó tömegére, a bolygópálya alakjának körtől való eltérésére, és arra, hogy hogyan áll a pálya síkja a látóirányhoz képest.
Ennek a módszernek az a hátránya, hogy csak a központi csillagához közel keringő, nagyobb tömegű bolygókat mutathatunk így ki, hiszen egy kisebb tömegű bolygó nem okoz jelentős változást a csillag színképvonalainak hullámhosszában. Különösen nehéz dolgunk van akkor, ha egy változócsillag körül igyekszünk bolygót kimutatni, hiszen akkor egyéb periodikus változások is jellemzőek lehetnek a csillagra azon kívül, hogy egy esetleges bolygó kering körülötte.
3. Asztrometria/pozíciómérés
Az asztrometria egy csillag pontos pozíciójának meghatározásával foglalkozó tudományág. Ha egy csillagnak rendkívüli precizitással megmérjük az égbolton felvett helyzetét, akkor az ebben bekövetkező, akár nagyon kismértékű változásokból is következtethetünk egy bolygó jelenlétére a rendszerben. Ezzel a módszerrel a bolygók mellett kettőscsillagok felfedezése is lehetséges.
Az asztrometriai módszer lényege.
4. Tranzitmódszer
Jelenleg ezzel a módszerrel fedezik fel a legtöbb exobolygót. A tranzitmódszer lényege az, hogy ha a bolygó a Földről nézve egy olyan síkban kering központi csillaga körül, hogy látszólag elhalad a csillag előtt, akkor a bolygó minden áthaladáskor egy kicsit kitakar a csillag fényességéből. Ha ennek a fényességcsökkenésnek a mértékét és időtartamát lemérjük, következtethetünk egy kettős csillagrendszer vagy akár egy csillag-bolygó rendszer fizikai paramétereire. A csillag fényességének időbeli változásából kiszámítható többek között a bolygó és a csillag sugarának aránya, illetve a bolygó pályahajlása.
tranzitmódszer hátránya, hogy nem minden bolygó kering olyan kiváltságos geometriai helyzetben a csillaga körül, hogy áthaladása a csillaga előtt a Földről is látsszon, így csak különleges rálátási szögből mutathatjuk ki a jelenlétét. Emellett a csillag fényessége számos egyéb fizikai ok miatt is változhat. Éppen ezért ahhoz, hogy egy tranzitmódszerrel detektált exobolygó felfedezett exobolygónak minősüljön, legalább három tranzitot, vagyis csillag előtti áthaladást kell mintavételezni.
Fontos megjegyezni azt is, hogy ezzel a módszerrel szintén a nagyobb méretű bolygókat könnyebb felfedezni, hiszen azok nagyobb részt takarnak ki központi csillagukból az előttük való áthaladáskor.
5. Gravitációs mikrolencsézés
Amikor egy távoli csillag előtt elhalad egy kisebb, sötét égitest, adott esetben bolygó, akkor az rövid ideig fókuszálhatja, felerősítheti a csillag fényét bizonyos relativisztikus effektusoknak köszönhetően. Ezt nevezzük gravitációs mikrolencsézésnek. Ha sikerül kimérni egy csillag hirtelen és drasztikus fényességváltozását, abból kimutatható akár egy kisebb, Földhöz hasonló méretű bolygó jelenléte is körülötte. A módszer előnye tehát, hogy képes kisebb tömegű vagy akár magános (egyetlen csillaghoz sem tartozó) bolygók kimutatására is, viszont mivel ez a hirtelen felfényesedés igen ritka, egyszeri és megismételhetetlen esemény, napjainkig csak kevés exobolygót mutattak ki ezzel a módszerrel.
Ezekkel a módszerekkel tehát számos exobolygót fedeztek fel a kutatók, és így azt is megmutatták, hogy ezeknek milyen változatos tulajdonságai lehetnek. Szemrevételezzük most a különböző típusú exobolygókat és azok tulajdonságait.
Példák exobolygótípusokra
1. Forró jupiterek
Ide tartoznak a központi csillagukhoz közel keringő, forró, és a Jupiterhez hasonlóan nagy méretű, kiterjedt légkörrel jellemezhető bolygók. Ezek a bolygók általában a Merkúrnál is közelebb keringve a központi csillag körül igen rövid idő, akár egy hét alatt körülkeringik csillagukat. Ezeket a bolygókat egyszerű a tranzitmódszerrel kimutatni, hiszen rövid keringési periódusuk miatt gyakran haladnak át a központi csillag előtt, és annak fényességében is jelentős változást okoznak. A forró jupiterek gyakran kötött keringésűek, így megtörténhet, hogy a csillag felé néző oldalukon akár 3000 K-es forróság uralkodik, míg sötét oldalukon kietlen hideg. Ám a hőmérsékletük ki is egyenlítődhet a légkörükben fújó szelek hatására. Az exobolygók légkörét vizsgálva kimutatták, hogy ezek hasonlíthatnak a Nap összetételéhez, tehát állhatnak jórészt hidrogénből és héliumból, de emellett megfigyeltek már metánt és vízgőzt is néhány esetben.
2. Forró neptunuszok
Méretüket tekintve a Föld és a Neptunusz közöttiek, s a tranzitmódszerrel felfedezett bolygók többsége ebbe a kategóriába sorolható. A forró neptunuszok hőmérséklete általában meghaladja a Naprendszer bolygóinak hőmérsékletét, a légkörük pedig a kutatások alapján átmenetet képez a Neptunusz hidrogén dominálta és a Vénusz szén-dioxidban gazdag légköre között.
3. Szuperföldek
Szuperföldnek nevezzük azokat az exobolygókat, amelyek tömege a Föld tömegének ötszöröse és tízszerese közé esik, így a Földnél valamivel nagyobbak, de nem olyan jelentősen, mint például a forró jupiterek. Ezen bolygók a Földhöz hasonlóan túlnyomórészt kőzetekből épülnek fel, s megjelenhetnek akár kettőscsillag körül is. Ez utóbbit Tatouin típusú bolygónak is nevezik.
A Föld (bal oldalt), egy szuperföld (középen) és a Neptunusz (jobb oldalt) méretarányos képe.
Egy különleges példa: Földhöz hasonló bolygók az életzónában
Nagy népszerűségnek örvendett a TRAPPIST–1 rendszer néhány évvel ezelőtti felfedezése, amely több szempontból is különleges. Egy, tőlünk 39 fényévre, a Vízöntő csillagkép irányában lévő, közeli vörös törpecsillag körül ugyanis hét olyan bolygót fedeztek fel, amelyek hasonló méretűek a Földhöz, s ráadásul ezek közül három, az e, az f és a g jelű az úgynevezett lakhatósági zónában vagy életzónában kering a csillag körül. Lakhatósági zónának nevezzük azt a térrészt egy csillag körül, ahol a víz képes fagyáspont és forráspont között maradni. Ez nem feltétlenül 0 és 100 °C között van, hiszen a víz halmazállapota a légköri nyomásnak is függvénye. Ebben a különleges rendszerben tehát 3 bolygó is kering a lakhatósági zónában, azonban a tudományos közösség egyetért abban, hogy az élet csak igen kis valószínűséggel alakulhatott ki rajtuk. Ennek fő okai közé tartozik a bolygók kötött keringése, ami miatt heves szelek lehetnek jelen a bolygók légkörében, illetve az a tény, hogy központi csillagukat nagyon rövid idő, 6–12 nap alatt kerülik meg. Mindmáig azonban ebben a rendszerben találtak a Földhöz leginkább hasonló bolygókat a lakhatósági zónában.
Az exobolygók kutatására számos, kifejezetten erre a célra épített űreszközt építettek. Az első ilyen a 2006 és 2012 között működő CoRoT (Convection Rotation et Transits planétaires) űrtávcső volt, amellyel számos exobolygót fedeztek fel, közöttük az első kőzetekből álló exobolygót is. Emellett szintén jelentős eredményeket ért el a Földhöz hasonló exobolygók keresésére felbocsátott Kepler-űrtávcső, amely 2009 és 2013 közötti működése alatt több ezer exobolygót fedezett fel. A sort a 2018 óta működő TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) folytatta, amely az égboltnak több mint a háromnegyed részét mintavételezve kutat új exobolygó-jelöltek után.
A TESS-űrtávcső.
Szerző: Könyves-Tóth Réka, Tudományos munkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet