Elfújta a szél? – A szubjupiter-sivatag eredete

3465

Az exobolygók periódus-sugár és periódus-tömeg eloszlásában a szuperföldek és a forró jupiterek között ismert módon nem találunk a csillaghoz nagyon közel keringő bolygót (ezt szubjupiter-sivatag vagy Neptunusz-sivatagként említi az irodalom). A sivatag létére magyar kutatók hívták fel a figyelmet, később számos független analízis igazolta ennek meglétét.

Mára már számos magyarázat is napvilágot látott a sivatag kialakulására. Ezek három fő csoportba oszthatók.

  1. A fotoevaporációs modellek azzal számolnak, hogy a közepes tömegű, csillaghoz nagyon közel keringő bolygók nagyrészt elvesztették légkörüket a fotoevaporáció (“fény hatására fellépő elpárolgás”) hatására, míg a szuperföldek és a forró jupiterek légköre stabil marad a nagy sugárzási térben is.
  2. A migrációs modellek abból indulnak ki, hogy az eredetileg a csillagtól távolabb keletkező bolygók valamilyen esemény hatására a csillaghoz közelebbi ellipszispályára állnak; a pálya eredetileg excentrikus, majd később körösödik. Az árapály-modellek bizonyos belső szerkezet esetében a bolygókat kijjebb húzódó pályára emelik, más szerkezet esetén a migráció befelé irányul; az eltérő szerkezet magyarázhatja a sivatag jelenlétét.
  3. A diszk-árapály-modellek alkotják a harmadik családot, ezek azzal számolnak, hogy még a bolygókeletkezés lezárulta előtt, a csillag körüli protoplanetáris korong eloszlása során a korong belső peremével gravitációsan csatolódnak a közepes tömegű bolygók, és a korong eloszló belső pereme viszi őket külső pályára; a kis tömegű bolygók esetében ez a csatolás gyenge, nagy tömegű bolygók esetében pedig nem hatékony.
A csillaghoz közel keringő exobolygók légkörét a sugárzás felforrósítja, roncsolja, és végül a csillagszél lesöpri (NASA)

E jóslatok között választhatunk, ha megvizsgáljuk a sivatag határán lévő bolygókat. Főleg a fotoevaporációs modellek jósolják azt, hogy a sivatag határa valamilyen mértékben függ a rendszer paramétereitől, bizonyos rendszerekben a közepes tömegű bolygók közelebb kerülhetnek a csillaghoz, mint más rendszerekben.

Ezt a kérdést az ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatóriumban vizsgálták magyar kutatók, a Szegedi Tudományegyetem fizika szakos BSc hallgatóinak szakmai gyakorlata keretében. A mostani közlemény első szerzőjének egy tanulmányban már korábban feltűnt, hogy a sivatag határán a bolygókat a csillag effektív hőmérséklete szerint színezve egy jellegzetes szerkezet rajzolódik ki, a hűvösebb csillagokhoz közelebb helyezkedik el a sivatag határa. A hallgatók bevonásával a többi lehetséges paraméter függését is megvizsgálták, és az eredmény meglepően összetett függőségi viszonyokat mutatott ki.

A csillag hőmérséklete után a sivatag határának pozícióját meghatározó második legfontosabb paraméter a csillag fémessége, és a csillag felszíni gravitációs gyorsulásával is találtak összefüggést. A hőmérséklet- és fémességfüggés egyértelműen a fotoevaporáció domináns szerepét mutatják: a forróbb csillag hatékonyabban “lenyúzza” a bolygók légkörét; viszont a nagyobb fémességű csillagok körüli bolygók kőzetmagja nagyobb, ami stabilizálja a bolygót az evaporációval szemben.

Fönt: a szubjupiter-sivatag vidékén keringő bolygók, a csillag effektív hőmérséklete, fémessége és felszíni gravitációja alapján színezve. Középen és lent: a bolygók periódusának eloszlása a csillag paramétereinek átlagnál kisebb és nagyobb értékeinél a sivatag területén (A jelű sávban). A talált különbségek a sivatag alatti szuperföldek sávjában (B) nem jelentkeznek. (Szabó & Kálmán, 2019)

A bolygó legtöbb paraméterével nem találtak függést. Talán a legmeglepőbb következtetés az, hogy a bolygó átlagos sűrűségétől viszont függ a sivatag határa, de nem monoton módon. A csillaghoz közel keringő bolygók légkörét a besugárzás ismert módon felfújja (infláció), így a sűrűségük lecsökken. Azonban a legkisebb sűrűségű bolygókat nem a csillaghoz legközelebb találjuk: a csillaghoz nagyon közel, a sivatag határán majdnem kizárólag közepes sűrűségű, nem jelentősen felfújt bolygók keringenek. A legkisebb sűrűségű bolygókat a csillaghoz közel, ugyanakkor a sivatag peremétől kissé távolabb kell keresnünk. Ez azt mutatja, hogy az infláció és az evaporáció, mint két egymással ellentétes folyamat, a csillaghoz nagyon közel keringő, közepes tömegű bolygókat “lassan, de biztosan” megfosztják légkörüktől, ami a domináns folyamat lehet a szubjupiter-sivatag kialakulásában.

Az exobolygók perióduseloszlása, sűrűség szerint megkülönböztetve. A legnagyobb sűrűségű kvartilis (a bolygók negyede) pirossal az ábra jobb szélén, az átlagoshoz közeli sűrűségű bolygók kékkel a bal szélen helyezkednek el. A legkisebb sűrűségű bolygók a két csoport között fekszenek (fekete vonal), a nyers intuícióval meglehetősen ellentétesen. (Szabó & Kálmán, 2019)

Az eredményeket részletező szakcikk az MNRAS Letters hasábjain jelenik meg, várhatóan áprilisban.

Forrás: https://arxiv.org/pdf/1903.04817.pdf

Hozzászólás

hozzászólás