Bolygóbölcsők sokaságát hozhatja létre az a fizikai folyamat, melyet egy internacionális kutatócsoport fedezett fel Regály Zsolt, az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének akadémiai főmunkatársa vezetésével. A modern bolygókeletkezési hipotézis magyarázatot adhat például arra, hogyan keletkeztek a Föld-szerű bolygók vagy a Jupiter méretű óriásbolygók.
A felfedezésről az Angol Királyi Csillagászati Társaság havilapjában, a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society szaklapban számoltak be a tudósok – tájékoztatta az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat (ELKH) a sajtó képviselőit.
Mint a közleményben olvasható, bár az Univerzum leggyakoribb objektumai a bolygók, ennek ellenére nem értjük teljesen a keletkezésüket.
A huszadik században az az elgondolás vált elfogadottá, hogy a csillagok óriási gázfelhők centrumában keletkeznek. A folyamat alatt az impulzusmomentum megmarad, és a gázfelhő maradványa összelapul egy koronggá. Ez a protoplanetáris korong, ahol a bolygók keletkeznek.
Szakemberek heterogén elméleteket dolgoztak ki arra vonatkozóan, hogy ebből a maradványanyagból hogyan sűrűsödik össze egy bolygó. Az aktuális ismeretek alapján a bolygókeletkezésre két eltérő hipotézis van: az egyik a gravitációs instabilitás, a másik ugyanakkor a bolygómag-akkréció elmélete.
Maga a bolygókeletkezés folyamata annyira bonyolult, hogy ezeknek az összehúzódó gázfelhőknek a viselkedése csak numerikus szimulációk támogatásával vizsgálható, azaz csak jelentős hatékonyságú számítógépek hozzájárulásával modellezhető. Az ilyen típusú vizsgálatok alapján a két korábbi elmélet nem teljesen helytálló.
A bolygókeletkezésnél releváns szempont, hogy a protoplanetáris korongok nem léteznek örökké, élettartamuk javarészben alig ötmillió év. Ennyi idő alatt kell így létrejönniük a bolygóknak. A Jupiter keletkezéséhez példának okáért első alkalommal közel tíz földtömegnyi szilárd anyagnak, ezután közel háromszázszor akkora tömegű gázköpenynek kellett összegyűlnie.
A gravitációs instabilitás ugyanaz a fizikai folyamat, ami a csillagokat megteremti. 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 alapján így az elmélet a protoplanetáris korong fizikai tulajdonságai okán nem, vagy csak a csillagtól nagy távolságban működőképes.
A bolygómag-akkréció hipotézise alapján a protoplanetáris korong kis méretű porszemcséi ütközésük esetén összetapadnak, ezután összeállnak a bolygócsírák, amelyek később bolygókká növekednek. Mint írják, ezzel a feltevéssel kapcsolatban több probléma is ismert. Az egyik hatalmas az, hogy a folyamat esetén a szikla méretűre növekedett szilárd testek – az úgynevezett planetezimálok – a korong gázának közegellenállása folytán villámgyorsan bezuhannak a csillagba, mindent összevetve a korongból hamar eltűnnek a bolygók építőkövei.
A Regály Zsolt által vezetett internacionális 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, ahol a gáz a csillag körüli keringéssel ellenkező irányban örvénylik. Az anticiklonális örvények igen eredményesen tudnak szilárd anyagot begyűjteni, így bennük megnő a valószínűsége a porszemcsék találkozásának és összetapadásának. Az ilyen örvény azonfelül még biztos, hogy meg ügyel az ott létrejött planetezimálokat a csillagba történő beeséstől, mindent összevetve az örvényekben ideális feltételek alakulnak ki a bolygókeletkezéshez – olvasható a beszámolóban.
A gáz és a porszemcsék dinamikáját a korong viszkozitása, azaz a benne található anyag belső súrlódásának mértéke befolyásolja. A modern elmélet alapján 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 szakemberek hipotézise alapján a protoplanetáris korongok dinamikáját maga a por is befolyásolja, mivelhogy az megkötheti a korongban található szabad ionokat, ami lecsökkentheti a viszkozitás mértékét.
Ha a korongban valahol kismértékű porsűrűsödés jelenik meg, ott lecsökken a szabad ionok száma, és így alacsonyabb lesz a viszkozitás. Ahol lecsökken a viszkozitás, ott a gázdinamika okán megnő a gáz sűrűsége is, ami beszippantja a port, ennek hatására mindazonáltal még jobban lecsökken a viszkozitás. Ezen pozitív visszacsatolás következtében kis örvények keletkeznek, amelyek újabb örvényeket keltenek.
A tudósok kétdimenziós numerikus hidrodinamikai szimulációk segédkezésével vizsgálták az örvények számát, továbbá hogy mennyire stabilak; mennyi port gyűjtenek. A vizsgálat alapján az örvénykaszkád hosszú életű örvényeket állít elő, amelyek hamar előrelátható bolygóbölcsőkké válnak, ez mindazonáltal egy egész bolygórendszer keletkezését eredményezheti. A kutatás rávilágított arra, hogy a bolygórendszerek sokkal gyorsabban is keletkezhetnek, mint azt ezelőtt a tudósok gondolták.
A fentiek alapján elmondható, hogy ez specifikus felfedezés magyarázatot adhat a bolygókeletkezés régóta kutatott jelenségére. Ahhoz, hogy a hipotézis egész bizonyosságot nyerjen, még szükség van az örvénykaszkád részletesebb, háromdimenziós vizsgálatára. A projekt folytatásával a tudósok választ kaphatnak arra is, hogyan keletkezhetett a Naprendszer és az attól lényegesen eltérő szerkezetű, távoli bolygórendszerek – összegezték az eredményeket az ELKH közleményében.
mti