Ahogy a bolygóvadászok egyre több bolygót fedeznek fel, egyre több rejtéllyel is szembesülnek. Az egyik a csillagok közelében keringő Neptunusz méretű bolygók hiánya. A csillagászok úgy gondolják, hogy ezek a világok nem elég nagy tömegűek ahhoz, hogy légkört tartsanak fenn a csillaguk erőteljes sugárzása mellett. Tudunk azonban egy planétáról, amely mégis megőrizte a légkörét. Vajon hogyan?

A csillagászok Neptunusz-sivatagnak nevezik azt a régiót a csillagok közelében, ahol nem találhatók Neptunusz méretű bolygók. A fogalomnak csak tág definíciója van, általában úgy írják le ezt a régiót, mint ami olyan közel van a csillaghoz, hogy ott a keringési idő mindössze kettő–négy nap. Azzal is szokták jellemezni, hogy itt nincsenek a Jupiter tömegének tizedével bíró, Neptunusz méretű bolygók. A csillaghoz ilyen közel merészkedő planéták általában elveszítik a légkörüket, és egy kőzetmag marad csak belőlük, ami csak alig emlékeztet egykori, puffadt önmagukra. (A szub-Jupiter/Neptunusz-sivatagot elsőként felismerők között két magyar kutatót találunk, Szabó M. Gyulát és Kiss Lászlót, akik 2011-ben hívták fel a figyelmet az érdekes űrre az exobolygók eloszlásában.)

Az a bolygó, amely a Neptunusz-sivatagban is megőrizte légkörét, az LTT 9779 b. Egy G típusú csillag körül kering, tőlünk nagyjából 260 fényévre van. Tömege a Föld tömegének 29-szerese, és annak ellenére megmaradt a légköre, hogy csupán 0,01679 csillagászati egységre kering a csillagtól, és mindössze 0,8 nap alatt kerüli meg azt. Ilyen feltételek mellett a csillag erős sugárzásának egyszerűen le kellett volna fújnia a bolygó légkörét. Vajon miért nem tette?

Művészi ábrázolás a csillaga körül keringő LTT 9779 b jelű exobolygóról. (Ricardo Ramírez Reyes (Universidad de Chile))

Egy új tanulmány, amely a brit Királyi Csillagászati Társaság havi kiadványában fog megjelenni, éppen ezzel a kérdéssel foglalkozik.

Fotoevaporációnak nevezzük azt a folyamatot, amelynek során egy bolygó légkörének egy részét elveszíti a csillaga sugárzása miatt. A jelenség kapcsolatban áll a csillag forgásával. A csillagok ugyanis forognak, és amikor ezt gyorsan teszik, erőteljes mágneses teret hoznak létre, amely viszont nagy mennyiségű elektromágneses energiát szabadít fel röntgen- és ultraibolya sugárzás formájában. Amikor a nagy energiájú fotonok egy légköri molekulába csapódnak, a molekula kilökődik az űrbe. Ez ellen csak a bolygó gravitációja képes fellépni, ami megmagyarázza, hogy a Neptunusz-sivatagban miért van olyan sok nagy tömegű forró Jupiter, de más, kisebb bolygó alig.

Ábra a Neptunusz-sivatagról. Az X tengelyen a keringési időt, az y tengelyen pedig a bolygók sugarát ábrázolták. Az LTT 9779 b-t a piros csillag jelöli. A kékesszürke pontok mindegyike a NASA exobolygó archívumában szereplő exobolygót, a zöld pontok pedig ultrarövid keringési idejű Neptunuszokat jelölnek. (Fernandez et al. 2023)

Az LTT 9779 b az egyetlen ismert Neptunusz típusú exobolygó, amelynek rövidebb a keringési ideje egy napnál, és jelentős hidrogén- és héliumlégkörrel rendelkezik. Ahhoz, hogy ez a bolygó ilyen eredményesen megvédje a légkörét ilyen kis távolságra a csillagtól, valami szokatlan dolognak kell történnie. „Ha a Neptunusz-sivatag a röntgen- és extrém ultraibolya sugárzás által előidézett fotoevaporáció eredménye, akkor meglepő, hogy az LTT 9779 b légköre túlélte a fiatal csillag nagy energiájú fotonjainak intenzív áradatát.” – írják a tanulmány szerzői.

A választ talán a csillag hordozza magában, hiszen egy ekkora méretű bolygó semmit sem tehet, amivel megvédhetné magát. Teljesen ki van téve a csillag erős sugárzásának, nincs semmilyen védőpajzsa. A kutatók az Európai Űrügynökség XMM-Newton röntgenobszervatóriumával vették vizsgálat alá a csillagot.

A XMM-Newton űrteleszkóp feladata, hogy csillagközi röntgenforrásokat vizsgáljon, és bár a küldetést eredetileg 10 évre tervezték, már majdnem 24 éve végzi a feladatát.

Egy csillag röntgensugárzását a forgási sebessége is befolyásolja. A gyorsabb forgás erősebb mágneses teret hoz létre, ami erősebb röntgenemissziót jelent, míg a lassabb forgás gyengébb röntgensugárzással jár. Az LTT 9779 jelű csillag kerületi sebessége nagyjából 1,06 km/s, így 45 nap alatt tesz meg egy fordulatot, bár ehhez elég kevés adat áll rendelkezésünkre. Ha ezt összehasonlítjuk a Nap 1,997 km/s-os kerületi sebességével, azt találjuk, hogy az majdnem kétszer olyan gyors, és a Nap még lassúnak is számít a legtöbb csillaghoz képest. A forró csillagok 100 km/s-nál is gyorsabban forognak, úgyhogy az LTT 9779 forgása csigalassú.

Egy csillag röntgensugárzását a kora is meghatározza, ezért a kutatók összehasonlították a sugárzását a kora alapján várt értékkel. „Megfigyeltük az LTT 9779-et az XMM-Newtonnal, megmértük röntgentartományban a luminozitásának felső határát, ami tizenötöde a kora alapján várható értéknek.” – állítják a kutatók.

A kutatás során modellezték a bolygó belső szerkezetét, és megvizsgálták, milyen hatással van az a tömegvesztésére. Modellezték a planéta sugarát, a bolygó burkának tömegarányát és a tömegvesztési sebességet az extrém ultraibolya tartomány kétféle intenzitása szerint. Az egyik modell a várt csillagemisszióval, a másik gyenge emisszióval számolt.

Arra az eredményre jutottak, hogy „a légkör mai napig történő fennmaradása a szokatlanul gyenge extrém ultraibolya sugárzással esik egybe, ami megfelel mind a röntgenadatoknak, mind a forgási sebesség-méréseknek.”

Az ábrák az egyes modellek eredményeit mutatják. A színes vonalak a bolygó burkának kiinduló tömegeloszlását mutatják. A két oszlop egy csillag tipikus sugárzását és halványodási ütemét modellezi. Az egyes sorok a bolygó sugarát, a burok tömegeloszlását és tömegvesztési sebességét modellezik. A gyenge besugárzás az XMM-Newton adatain alapul. A két felső ábrán az alul látható szaggatott, szürke vonal az LTT 9779 b jelű planéta kőzetmagjának sugarát jelöli. A fekete karika a piros vonalakkal magát a bolygót jelöli, és teljesen egybevág a gyenge besugárzási múlttal. (Fernandez et al. 2023)

Mi történhetett a rendszerben, hogy az egyik bolygója túlélt ebben a sivatagban?

A korábbi kutatások azt mutatták, hogy ez a szokatlan forgatókönyv a bolygó késői befelé vándorlásának köszönhető, amit az úgynevezett Roche-lebeny túlcsordulása jelenség követett. A Roche-lebeny túlcsordulása általában kettős rendszerekben fordul elő, ahol az egyik csillag nem tudja megtartani a teljes tömegét, és a leszakadó anyag akkréciós korongot képez a másik csillag körül. Ebben az esetben azonban egyetlen csillag von el anyagot egy bolygótól. A korábbi kutatások szerint ez a bolygó eredetileg Jupiter tömegű planétaként indult, de anyagának nagy részét át kellett, hogy adja a csillagának, így lett belőle a Neptunusz méretű LTT 9779 b.

Az új kutatás szerint azonban ez a magyarázat nem állja meg a helyét. A kutatók legújabb következtetése szerint a migráció nem játszott szerepet a bolygó légkörének megmaradásában. „Arra az eredményre jutottunk, hogy az LTT 9779 a legnagyobb valószínűséggel egy rendellenesen lassan forgó csillagként jött létre, és hogy a hozzá közel lévő, Neptunusz méretű bolygó, az LTT 9779 b légköre így a szokatlanul gyenge röntgensugárzásnak köszönhetően a mai napig fenn tudott maradni a Neptunusz-sivatagban.” – írják a kutatók.

További bizonyítékot szolgáltat maga a légkör is. Rendkívül nagy a fémtartalma, és a nehezebb molekulák nehezebben távolíthatók el, mint a könnyebbek. Emellett nagy az albedója is, vagyis vissza is veri a csillag sugárzásának nagy részét. Már ez magában is segített az LTT 9779 b-nek megtartani a légkörét.

A kutatók szerint a Neptunusz-sivatag létezését a fotoevaporációnak köszönheti. Hihetetlen véletlen lenne, ha a Neptunusz-sivatag egyetlen, légkörét megtartó bolygója éppen egy nagyon lassan forgó, gyenge emissziójú csillag körül keringene, és ennek semmi hatása nem lenne. Ez azért nem valószínű.

„Végül arra az eredményre jutottunk, hogy az egyetlen ismert, gázburokkal rendelkező bolygó a Neptunusz-sivatag kellős közepén, amely ugyancsak szokatlan módon egy gyenge röntgensugárzást kibocsátó csillag körül kering, erős bizonyíték arra, hogy a Neptunusz-sivatag létezésének elsődleges oka a röntgensugárzás által kiváltott fotoevaporáció.”

Forrás: phys.org