Veszélyes közelség: elpárologhatnak a forró szub-Jupiterek

Az exobolygók jellegzetes csoportját alkotják a forró Jupiterek. Ezek az óriásbolygók a csillagokhoz közel keringenek, a legrövidebb keringési periódusok 1 nap alattiak. A nagy besugárzás miatt a bolygó szerkezetét a csillag közelsége nagyban meghatározza. A forró Jupiterek légköre esetenként a kétezer Kelvin hőmérsékletet is meghaladhatja – az eddig ismert legforróbb Jupiter, a WASP-33 légköre 2750 Kelvin fokos! A külső fűtés miatt az egész bolygó jobban felmelegszik, így – a termodinamikai törvények miatt – minél közelebb helyezkedik el egy forró Jupiter a központi csillagához, várhatóan annál kisebb a légkör átlagos sűrűsége, és annál nagyobb a bolygó sugara.

Mostanában kezdik nagy számban felfedezni az ún. forró Neptunuszokat, a csillagaikhoz hasonlóan közel keringő, de a forró Jupitereknél kisebb tömegű égitesteket. Az eddig azonosított exobolygók eloszlása azt mutatja, hogy forró Neptunuszokból több van, mint forró Jupiterekből. Mindez a keringési periódusoktól függetlenül igaz: a 3-100 nap tartományon nagyjából végig hasonlónak tűnik a forró Jupiterek és forró Neptunuszok becsült aránya [1], az egyszerű bolygókeletkezési elméletekkel összhangban.

Az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézet Lendület-csoportjának tagjai, Szabó M. Gyula és Kiss L. László frissen megjelent cikkükben [2] tranzitos exobolygók eloszlását elemezve egy meglepő jelenségre hívják fel a figyelmet: három napnál rövidebb keringési periódusú, Jupiternél kisebb tömegű bolygót alig ismerünk, annak ellenére, hogy a forró Jupiterek "csak úgy hemzsegnek" ezen a tartományon. A tranzitos exobolygók méretét a keringési periódus függvényében ábrázolva egy jól körülhatárolt üres tartomány, a "kis Jupiter sivatag" ("sub-Jupiter desert") rajzolódik ki, amely éles ellentétben áll a három napnál nagyobb periódusok esetén megfigyelt eloszlással, és külön magyarázatot igényel. A jelenségre korábbi vizsgálatok is utaltak, de mostanra gyűlt össze annyi megfigyelés, amelyek alapján egzakt statisztikai módszerekkel kijelenthető, hogy a "lyuk" magában az eloszlásban van benne, és nem a véletlen adateloszlás rossz tréfájának áldozatai vagyunk.

Egy lehetséges magyarázat a bolygók szerkezetével kapcsolja össze a megfigyelt üres tartományt. Ha csak a tranzitos bolygókra koncentrálunk, és a bolygók tömegét a sűrűség függvényében ábrázoljuk, egy érdekes alakú villa rajzolódik ki: a legkisebb tömegű bolygók sűrűsége a kőzetből és jégből való összetétellel összhangban van, a bolygó tömegének növekedésével az átlagos sűrűség egyre csökken (a kőzet/óceán bolygóra vastag légkör rakódik). Kb. 0,5 jupitertömeg értéknél a sűrűség eléri a minimumát, és ezek után a tömeggel együtt ismét növekszik – mutatván, hogy a légkör alsó rétegei kezdenek a rájuk nehezedő felső rétegek nyomása alatt összeroskadni. Ha egy görbével elvágjuk a kirajzolódó villát a tövétől kissé nagyobb tömegértékeknél, két bolygópopulációt kapunk: a forró Jupitereket és a "kis Jupitereket" (szub-Jupiterek) – utóbbi elnevezés a kis sűrűségű forró Jupiterek és forró Neptunuszok csoportját takarja.

A meglepő megfigyelés az, hogy ez a két társaság a periódus-sugár térben homlokegyenest ellenkező eloszlást követ. Vagyis a nagyobb sűrűségű forró Jupiterek egészen közel merészkedhetnek a csillaghoz, és méretük – a hőtani alapvetéssel összhangban – csökken a csillagtól vett távolsággal. A "kis Jupiterekre" viszont egyfajta "kozmikus cenzor" hat: nem fordulhatnak elő a csillaghoz túlságosan közel.

Lényegében úgy tűnik, hogy a kisebb sűrűségű és kisebb tömegű exobolygókat kitiltja a csillag közeléből egy olyan folyamat, amely nem hat a forró Jupiterekre. A szakirodalom több jelöltet is ismer ennek magyarázatára. Lehetséges, hogy a kis Jupiterek gyorsan elpárolognak a csillag közelségében, hiszen légkörük gravitációsan kevéssé kötött. A forró Jupiterek is párolognak, de a párolgási ráták lényegesen kisebbek, így a gázóriások hosszabb ideig stabilan kibírják a csillag közelségét.

A szerzők alternatív magyarázatokat is megvizsgáltak. Az egyik ilyen szerint a kis Jupitereket már a bolygókeletkezés  korai szakaszában, a protoplanetáris korong evaporációjának időszakában kitiltja a korong árapály-hatása a csillagok közvetlen közeléből, miközben a nagy tömegű bolygókra ez a folyamat nem hat.