Holl András: Bolygórendszerek
2009 március 12., Petőfi Sándor Gimnázium
Bolygórendszerek Holl András
A történet az 1700as években kezdődik. Több tudós is felismert egy szabályosságot a Naprendszer akkor ismert bolygóinak Naptól való távolságában. Johann Daniel Titius wittenbergi professzor egy általa fordított könyv szövegében írta le először a 4 (Merkúr), 4+3 (Vénusz), 4+6 (Föld), 4+12 (Mars) ... 4+48 (Jupiter) ... sort, valószínűtlennek tartva, hogy a 4+28as távolság üresen maradt volna. A szabályt 1768ban átvette Titiustól Johann Elert Bode berlini csillagász innen a Titius Bode szabály elnevezés. a = 0.4 + 0.3 * 2n, ha a Föld távolságát egységnyinek vesszük, és n rendre a ∞, 0, 1, 2, 3, ... értéket veszi fel a a bolygók Naptól mért távolsága.
Bolygó
n
Merkúr
∞ 0.4
0.39
Vénusz
0
0.7
0.72
Föld
1
1
1.00
Mars
2
1.6
1.52
(Ceres)
3
2.8
2.77
Jupiter
4
5.2
5.20
Szaturnusz 5
10.0
9.54
Uránusz
6
19.6
19.2
Neptunusz 7
38.8
30.06
(Plútó)
77.2
39.44
8
TB távolság Valós távolság
A szabály fényes diadalát jelentette, hogy amikor William Herschel 1781ben felfedezte az Uránuszt, az új bolygó távolsága a Naptól egyezett a sorozat szerint következő értékkel. Titius szabálya akkora hatást gyakorolt a kor csillagászaira, hogy Zách János Ferenc magyar származású csillagász 1800ban a kor neves csillagászaiból megszervezte a Lilienthali Társaságot Himmelspolitzei néven is emlegették a "hiányzó" bolygó felkutatására. A felfedezés nem váratott soká magára: 1801 január 1.én Giuseppe Piazzi palermói csillagász felfedezett egy halvány égitestet, ami a Ceres nevet kapta. Piazzi felfedezése után elvesztették az égitestet itt kerül a történetbe Carl Friedrich Gauss, a zseniális német tudós. Gauss kidolgozott egy eljárást az égitestek pályájának kiszámítására, és a számításai alapján Zách újra meg is találta a Cerest. A Ceres pontosan olyan pályán mozgott, mint ahogy várták, a Mars és a Jupiter között. Csak egy hiba volt vele: túlságosan halvány volt persze, fényeseb bolygó nem is maradhatott volna ismeretlen... Zách társasága azonban nem hagyta abba a kutatást, és Heinrich Olbers 1802ben megtalálta a Pallast, Karl Harding 1804ben a Júnót, majd ismét Olbers 1807ben a Vestát. Ez már egy kicsit sok volt: egy hiányzó bolygó helyett négy. William Herschel megállapította, hogy ezek az égitestek nem lehetnek nagy méretűek, és aszteroidáknak nevezte el őket.
Néhány évtizedig ezután nem fedeztek fel újabb aszteroidákat. A következő nagybolygó felfedezése a bolygók mozgásának tudományának, az égi mechanikának volt köszönhető. A Neptunuszt Urbain LeVerriernek az Uránusz mozgásában mutatkozó eltéréseken alapuló számításai alapján Johann Gottfried Galle találta meg 1846ban. (John Couch Adams is végzett számításokat, de ezek meglehetősen elnagyoltak és pontatlanok voltak, szerepét csak utólag próbálták nagyobbítani.) Az új bolygó pályájának sugara jelentősen eltért a TitiusBode szabály szerint várható értéktől. Diadalmaskodott a perturbációszámítás. Időközben felfedezték az ötödik aszteroidát (kisbolygót), majd a XIX. sz. vége felé színre lépett Max Wolf, aki fotografikus módszerével hozzávetőleg harmadfélszáz kisbolygót fedezett fel, majd megduplázva az addig ismert aszteroidák számát. Nyilvánvalóvá vált, hogy a Mars és a Jupiter pályája között egy kisbolygóövezet helyezkedik el. Felmerült a kérdés, vajon itt a Jupiter zavaró hatása miatt nem tudott nagybolygóvá összeállni az anyag, vagy az itt keletkezett bolygó tört valamilyen oknál fogva darabokra?
Mára a számozott (megfelelően pontos pályaadatokkal nyilvántartott) kisbolygók száma meghaladta a 40000et. Az Uránusz és a Neptunusz mozgásának megfigyeléséből arra következtettek, hogy lennie kell még egy további bolygónak. Az ismeretlen külső bolygó utáni kutatás vált a Percival Lowell által az arizonai Flagstaffban létrehozott, a nevét viselő obszervatórium egyik fő programjává. 1930ban Clyde Tombaugh felfedezte a Plútót. Hamarosan nyilvánvalóvá vállt, hogy túlságosan halvány, és kicsi nem lehet a beljebb keringő bolygók mozgásában mutatkozó zavarok okozója. Pályája is erősen hajlik a többi bolygó pályasíkjához, és keresztezi a Neptunuszét talán a Neptunusz egy megszökött holdja lehet?
A csillagászat a XVIII. században elsősorban az égitestek pozíciójának meghatározásával foglalkozott, a XIX. századra az égi mechanika az égitestek mozgásának matematikai vizsgálata került a középpontba, a XIX. sz. végén pedig megszületett az asztrofizika, az égitestek fizikai állapotának vizsgálata. Nyilvánvalóvá vállt, hogy a Naprendszer keletkezése az Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant és PierreSimon Laplace által felvetett módon, a Nappal együtt, egy gázköd összehúzódásával keletkezett, de immár megértették a fizikáját is az alapvető folyamatoknak. Az összehúzódó gázköd a perdület megmaradása miatt belapul, a középen összehúzódó csillag körüli gázkorong pedig mágneses fékező hatással lefékezi a keletkező csillag forgását. A XX. század végére meg is figyeltek más csillagok körül protoplanetáris gázkorongokat. Megmagyarázható volt, hogy az Ősnaphoz közelebb, ahol a hőmérséklet magasabb volt, a kőzetbolygók anyagai tudtak kikristályosodni, távolabb pedig az óriásbolygókat alkotó illékonyabb elemekből is összeállhattak bolygók. A megfigyelési technika fejlődésével a Naprendszer távolabbi régióiban is megfigyelhetővé váltak az apróbb égitestek. Rengeteg új, apró holdat fedeztek fel az óriásbolygók körül, és 1977ben Charles Kowal felfedezte egy új égitestcsoport, a Szaturnusz és a Neptunusz pályái között keringő kentaurok első tagját, a Chiront. 1978ban a Plútó (legnagyobb) holdját is felfedezték, a Charont. A Charon megfigyelése lehetővé tette átmérőjének és tömegének pontosabb meghatározását: nagyjából 2400 kmes, és mindössze a Hold tömegének ötödével bír. (Időközben az is kiderült az űrszondák pályaadatai alapján, hogy a külső nagybolygók pontosabb tömegértékeivel számolva nincs is szükség egy további bolygó zavaró hatását feltételezni.) 1992ben David Jewitt és Jane Luu felfedeztek egy Neptunuszon túl keringő objektumot: az 1992 QBt. Már korábban, elméleti megfontolásokból a rövid periódusú üstökösök számából következtettek arra, hogy kell legyen egy rezervoár, apró, jeges égitestekből a Neptunuszon túl (de beljebb a távoli Oort felhőnél, ahonnan a hosszú periódusú üstökösök származnak): ezt Kuiperövnek nevezték.
Egyre több Kuiperövbéli objektumot fedeztek fel, egyesek nem sokkal kisebbek voltak csak a Plútónál, majd találtak akkorákat, végül nagyobbat is. Elfogadhatatlanná vállt, hogy továbbra is bolygónak tekintsék a Plútót nyilvánvaló, hogy csak egy a Kuiperöv objektumai közül. Sok objektum a Plútóhoz hasonlóan rezonanciában áll a Neptunusszal, úgy keringenek, hogy sohasem kerülhetnek hozzá veszélyesen közel. (Rezonancia áll fenn akkor, ha két égitest keringési ideje kis egész számok hányadosával fejezhető ki, például 2:1, vagy 3:2, mint a Neptunusz és a Plútó esetében.) Ez az oka, hogy a Plútó nem lehetett a Neptunusz holdja soha. Megint megtörtént az, ami a Mars és Jupiter közötti kisbolygókkal megtörtént: kiderült, hogy nem nagybolygóról, hanem a Naprendszer törmelékzónájáról van szó.
Az 1990es években tökéletesedett a csillagászati megfigyelési technika odáig, hogy távoli csillagok bolygórendszereit felfedezhessék. Először pulzárok szupernóvaként felrobbant csillagok maradványai körül találtak bolygókat, majd 1995ben már egy közönséges (fősorozati) csillag, az 51 Pegasi körül fedezett fel bolygót Michel Mayor és Didier Queloz. Felfedezésükhöz spektroszkópiai technikát használtak: a csillag látóirányú periodikus elmozdulásait tudták kimutatni a színképvonalak Dopplereltolódásából. Felfedezés felfedezést követett, az ismert exobolygók száma e cikk írásakor elérte a 340et.
Az ismert exobolygók, exobolygórendszerek között alig akad olyan, ami a Naprendszerre hasonlítana: könnyebb azokat a rendszereket kimutatni, ahol nagyobb bolygók keringenek a csillagukhoz sokkal közelebb. De a Földtípusú bolygók, Naprendszerhez közelebb álló bolygórendszerek kimutatása remélhetőleg nem fog sokáig váratni magára: a már üzemelő, és a hamarosan induló űreszközök már képesek lehetnek ezek felfedezésére. Az 51 Pegasi bolygója, a jelenleg ismert exobolygók jelentős részéhez hasonlóan a csillagához igen közel keringő óriásbolygó, "Forró Jupiter". Ilyen közel csillagukhoz nem keletkezhettek, és nem is maradhatnak meg huzamos időn keresztül. Az exobolygórendszerek felfedezésével meg kellett vizsgálni a lehetséges mechanizmusokat, hogyan vándorolhatnak a bolygók keletkezési helyüktől nagy távolságra? A választ az égi mechanika adja. A rendszerben lévő kisebb égitestekkel találkozó nagybolygók azokat kilökik, maguk pedig energiát veszítve közelebb kerülnek csillagukhoz. A bolygórendszerben vándorló égitestek pályája rezonanciák kialakulásával stabilizálódhat. Vannak "jó" és "rossz" rezonanciák. A rossz rezonanciák miatt találhatók üres zónák a fő kisbolygóövben, a jó rezonanciák viszont stabil állapotok kialakulásához vezethetnek, mint a Trójai vagy a Hilda családhoz tartozó kisbolygók esetében. A bolygórendszerek törmelékzónái kialakulásában fontos szerepe lehet a nagybolygók kis égitesteket kisöprő és terelő hatásának. A bolygók egymástól való távolsága is vándorlásuk során, a rezonanciák hatására stabilizálódhat. Ezzel visszaértünk a történet kezdetéhez: a TitiusBode szabály mégsem a véletlen játéka. A kígyó a farkába harap.
Irodalom, URLek Bode, Johann Elert: Allgemeine Betrachtungen über das Weltgebaude, 1812, Berlin, 62. o. Petrovay Kristóf: A Naprendszer keletkezése, 2007, Meteor csillagászati évkönyv 2008, 207. o. Sándor Zsolt: Rezonanciák bolygórendszerekben, 2004, Meteor csillagászati évkönyv 2005, 244. o. Szatmáry Károly: Bolygók felfedezése más csillagok körül, http://astro.uszeged.hu/ismeret/exo/extrasol.html The Extrasolar Planets Encyclopaedia http://exoplanet.eu/ Vargha Domokosné: Zách János Ferenc, csillagász (17541832), 2003, Magyar Tudománytörténeti Társaság, Piliscsaba
Az ábrák a Wikipediaból származnak, illetve Bode könyvéből, és Zách Monatliche Correspondenzéből.
