Feb. 28, 2016

Mitől bolygó a bolygó?

Tavaly július közepén a New Horizons űrszonda elszáguldott a Plútó mellett, szenzációs képeket sugározva haza számunkra erről a meglepően változatos geológiával rendelkező, fagyott kis világról. Ezekben a fotókban könnyű gyönyörködnünk és örömünket lelni, sokak önfeledt csodálatát a Plútóval kapcsolatban viszont még mindig beárnyékolja a tíz évvel ezelőtti bolygóügyi "jogfosztás". Végül is miért nem számít planétának a Plútó? Mitől bolygó egyáltalán a bolygó? Jelenlegi cikkem ezekre ad választ. A megértéshez legelőször ássunk a problémák gyökéréhez!

1930. február 18-án Clyde Tombaugh által lett azonosítva legelőször a Plútó a Lowell Obszervatóriumban. A felfedezést követően a Naprendszer kilencedik bolygójának lett kikiáltva, és ezt a címét a római alvilág istenéről elnevezett égitest sokáig meg is őrizte. A csillagászat berkein belül viszont az egyre részletesebb megfigyelések következményeként egyre inkább a bolygók csoportja helyett a Kuiper-öv objektumai közé sorolták be, mivel azok is a Plútóhoz igen csak hasonló tulajdonságokat és pályákat mutattak. 2003-ban, illetve 2005-ben, a Szedna és az Eris észlelésével kiújultak a viták ebben a témában, mely odáig vezetett, hogy a csillagászokat gyűlésre késztesse. (Koncz H. Attila: Egy nagy utazás története - a Plútó az Új Látóhatárral lett felfedezve. 2015.07.15. Link:https://www.facebook.com/koncz1987/photos/pb.1772024769689644.-2207520000.1455786877./1874345709457549?type=3&source=42)

2006. augusztus 24-én a Nemzetközi Csillagászati Szövetség (International Astronomical Union, alias IAU) 26. prágai kongresszusán, a New Horisons űrszonda indulása után 7 hónappal, a csillagászok jóformán magukra haragították a világot, miután döntés született a Plútó bolygó törpévé minősítéséről. Ekkor sorszámot is kapott a Plútó: a 134340-as számú aszteroidává keresztelték. Az IAU ezen ominózus döntése enapiglan is vitatott esemény, ám kétségtelenül annak az eredményeként jött létre, hogy a Plútó igenis nagyban különbözik a többi, általunk ismert naprendszerbeli világtól.

Ez a leminősítés olyan visszhangra talált, (http://news.bbc.co.uk/2/hi/americas/6240055.stm) hogy a 2006-os esztendő szavának a bolygó nevéből képzett, "lefokozott, leértékelt" jelentésű plutoed szót választották az Egyesült Államokban, ezzel is szítva a parazsat. A problémák és a heves viták egyrészt abból keletkeztek, hogy 2006 nyaráig a bolygókon és a holdakon kívül minden be volt ömlesztett módon kategorizálva az angol nyelven aszteroidáknak hívott óriáscsoportba, míg az angol, francia, spanyol, német, orosz, kínai... és magyar nyelvekben megtalálható volt a törpe/kisbolygó kifejezés is (a japánban a szubplanéta fejezte ki). Ezért is lehetett (részben) az USA-ban jóval nagyobb a felháborodás, mert nekik nem volt saját szavuk a törpebolygókra és emiatt érezték radikálisnak a lefokozást, mert eltűnt a Plútó kategóriájának az elnevezéséből minden bolygószerű. (A cikkem viszont nem nyelvészkedésre hívatott!) 2006 augusztusában ezt is orvosolni akarta az IAU az ülésén, a névjavaslatok közül a plomét, nanoplanéta, szubplanéta, planetoid nevek mindegyike el lett vetve és végül győzött a törpebolygó (dwarf planet) névosztályozás új konszenzusa. A törpebolygó lett a Naprendszerben keringő égitestek egyik típusa, hogy átmenetet képezzen a bolygók és a kisbolygók között. Jellemző egyébként a plútói ítéletet követő hatalmas megosztottságra az az irónia, hogy a törpebolygó kifejezést már jóval korábban, 1990-ben javasló Alan Stern sem ért egyet mai napig a döntéssel.

Az IAU a meteoroid méretét 100 µm és 10 m között határozza meg, az ennél nagyobb objektum aszteroida, (magyarul kisbolygó) a kisebb pedig bolygóközi por. A kisbolygó kategóriájú objektumok szabálytalan alakú égitestek, tehát nem teljesítik a hidrosztatikai egyensúly követelményét a kis tömegük miatt, a törpebolygók teljesítik, viszont az utolsó követelményben véreznek el a planétacím elnyerése során - erre majd a későbbiekben térek ki.

Öt törpebolygó van jelenleg hivatalosan az osztályozásunkban. A Ceresz, mivel egyedüli a Mars-Jupiter közötti kisbolygóövben, nem képez alkategóriát, ugyanakkor a Neptunuszon túl keringő objektumokra a plutoida altípus név lett adatva, melynek négy tagja ismert napjainkban: a Plútó, az Erisz Makemake és a Haumea. A Naptól eddig megfigyelt legtávolabbi égitest a Szedna, aminek a mérete megközelítőleg kétharmada a Plútóénak, ezért a viszonylag nagy mérete miatt elképzelhető, hogy a közeljövőben törpebolygóvá fogják "előléptetni". Ezeken az égitesteken kívül azonban a csillagászok feltételezései szerint több száz törpebolygó is keringhet a Naprendszeren belül, akár a kisbolygók között is, illetve a távolabbi pályákon. Becslések szerint a Kuiper-öv és az azon túli területek részletesebb feltérképezésével akár pár ezres szám fölé is emelkedhet a potenciális törpebolygók száma. Mike Brown szerint (http://www.wired.com/2010/12/pl_print_mikebrown/) 390 db. égitestről feltételezhető, hogy megfelel a törpebolygóság követelményeinek, ám az említett öt égitesten felül még legalább négyet (a [225088] 2007 OR10, a Sedna, a Quaoar és az Orcus [2004 DW]) javasol minél előbb felvenni a törpebolygók körébe.

Lássuk hát a hivatalos planétaértelmezést! Az IAU döntése értelmében a bolygó definíciója a következő:
1. A Nap körül kering (ha másik csillag körül, akkor exobolygó az elnevezése)
2. Kellően nagy tömeggel rendelkezik a hidrosztatikus egyensúlyhoz (alapvetően ez azt jelenti, hogy gömbszerű)
3. "Letisztította" a keringési pályájának a tőszomszédságát

Mint ismeretes, a Plútó a harmadik ponton bukott el, ezzel kizárva magát a bolygók családjából. A három kritérium közül az utolsó tűnik a leginkább önkényesnek, olybá tűnhet sokaknak, mintha csak azért lenne ott, hogy a Plútót megfoszthassák a bolygói címétől. Való igaz, hogy pl. a Föld pályáját is ezerszámra keresztezik aszteroidák a csillagászati időskálát nézve, és az anyaplanétánk ennek ellenére bolygó maradhat. Viszont azt rögtön emeljük ki, hogy a Föld sokkal nagyobb bármilyen objektumnál a keringési pályája közelében, míg a Plútó egyéb, Neptunuszon túli égitestekkel, (mint az Erisz vagy a Szedna) a Ceresz pedig a kisbolygó-övből származó más szikladarabokkal osztja meg a saját pályáját.

Sok szempontból egyszerű elkülöníteni a Marshoz és a Jupiterhez hasonló bolygókat a nembolygóktól, vagy törpebolygóktól, akár csak a Plútó, Ceresz és az Erisz. Utóbbiak sokkal kisebbek, és magukhoz hasonló, csekélyebb méretű objektumokkal osztják meg a pályájukat - a bolygókkal ellentétben. Nincs olyan égitest a Naprendszerünkben, ami egy bolygó pályájával - csillagászati léptekben nézve - tartósan határos lenne, (kivéve, ha körülötte kering holdként) noha a Világmindenség felfedezése során a dolgok csak egyre bonyolultabbakká válnak. Mivel kisebb, csillagok körül keringő objektumokat képtelenek vagyunk (még egy jó darabig) közvetlenül megfigyelni, hogyan mondhatnánk meg teljes biztonsággal, hogy egy exobolygó letisztította a maga pályáját? (Koncz H. Attila: Pontosították a bolygók meghatározását egy új tanulmányban az exoplanéták miatt - A Plútó és a Ceres továbbra sem számítanak bolygóknak. 2015.11.15. Link:https://www.facebook.com/koncz1987/photos/a.1773252212900233.1073741829.1772024769689644/1934636626761790/) Mégis mekkora tisztítás lenne szükséges? Amidőn a csillagászok feltették a kérdést: "Miért nem bolygó a Plútó?", akkor a fontosabb felvetés a bolygók általános definíciójára vonatkozott. Mégis mit jelent bolygónak lenni?

Ha abból indulunk ki, hogy az IAU meghatározása nagyjából pontos, akkor a legkomplikáltabb kritérium a harmadik pontnak való megfelelés. Különösen nehéz az exobolygók esete, ahol meglehetősen behatárolt adatokkal rendelkezünk az égitestet illetően. Számítógépes modellekből tudjuk, hogy a bolygóméretű objektumok "letakarítanák" a saját pályájukat az idő folyamán, ez pedig az égitest tömegétől (minél nagyobb, annál gyorsabban) és a csillaghoz képesti távolságtól (a közelebbiek gyorsabban keringenek és több lehetőségük van "rendet rakni") függ. Ez azt jelenti, hogy a letakarított keringési út három dologgal áll kapcsolatban: az égitest tömegével, a központi csillagától való távolsággal, és a csillagrendszer korával. Ezen három feltételt követve meg tudjuk határozni az eseteket, midőn egy keringési pálya tisztának minősül.

Ennek a kikötésstruktúrának a Naprendszerre való alkalmazása esetén sem tudjuk belevenni a Plútót, a Cereszt és az Eriszt a bolygók kategóriájába. Túlságosan kis méretűek és a Naptól túl távol keringenek. Érdekesebb lesz viszont a játék, ha elvetjük a második feltételt, miszerint egy csillag körül kell keringenie a bolygónak. Pl. a Föld körül cirkuláló Hold elég nehéz ahhoz, hogy kitakarítsa a saját pályáját, szóval a második kikötést levegőnek nézve a Hold-Föld kettősbolyóról beszélhetnénk.

Különösen szembeötlő ebben a hármas fogat módszerben, hogy a harmadik pontot akár egyetlen feltételként is alkalmazhatjuk a bolygóság meghatározására. Bármelyik pálya kitakarításához egy kellően nagy égitest képes - teszem azt - tízmilliárd éven belül elérni a hidrosztatikus egyensúlyt és ezzel teljesíteni az IAU első feltételét. Amennyiben elvetjük az első kikötést, hogy megengedjük a Föld-Holdhoz hasonló kettős bolygók létezését, akkor a pálya megtisztítása lesz az egyetlen feltétel, amit teljesíteniük kell.

Saját Naprendszerünkön belül két alkategóriát határozunk meg: a kisebb méretű kőzetbolygókét, mint amilyen a Föld is, és a nagy gázbolygókét, mint a Jupiter és a Szaturnusz. A belső bolygók jelentősen kisebb méretűek, mint a külsők. Ugyanakkor az óriásbolygókat is muszáj megkülönböztetnünk, hiszen vannak a Jupiter-szerű gázóriások, (Jupiter, Szaturnusz) melyeknek nagy valószínűséggel nincsen szilárd magjuk, és vannak a Neptunusz-szerűek, (Uránusz, Neptunusz) melyeknek viszont van. Ezen bolygók belsejében egy-egy viszonylag kicsi, vasból, nikkelből és szilikátokból álló mag található, amik tömege egyenként körülbelül megegyezhet a Földével. Ott a nyomás elérheti a 700 GPa-t, a hőmérséklet pedig az 5000 celsius fokot. A belső-külső planéták tömegét illetően a Naprendszerünkben egyébként tiszta a választóvonal, hiszen a legkisebb külső planéta, a Neptunusz tömege is tizenhétszerese a legnagyobb kőzetbolygóénak, a Földének.

Számos exobolygó azonban kitölti ezt a rést. Léteznek a Föld-tömeg sokszorosával rendelkező exobolygók, ugyanakkor azt sok esetben csak találgathatjuk, hogy gáz-, avagy kőzetplanétákat látunk. A rekord újfent az exokőzetbolygó kategóriában a valószínűsíthetően 16 Föld-tömeggel, a Neptunusz átmérőjének a felével és így 8 gramm/cm^3 átlagsűrűséggel bíró BD+20594b néven kategorizált égitest. Jelen pillanatban, ha az exoplanéták tömegét és a átlagsűrűségét meg tudjuk határozni, az adott esetben elég is lehet, hogy két csoportba osszuk őket. A tömegüket elosztva az átlagsűrűségükkel, tiszta választóvonal rajzolódik ki az alacsony és a magas tömegűek között.

0,3 Jupiter-, másképp írva 95 Föld-tömeg alatt a sűrűség meglehetősen változékony. Ez arra utal, hogy az e tartományban mozgó bolygók állhatnak kőzetből (Mars), jégből (Plútó), vagy gázból (Neptunusz). Ebben a kategóriában a bolygó összetétele erősen befolyásolja a sűrűségét. 0,3 Jupiter-tömeg felett a bolygók java hidrogénből és héliumból áll, hasonlóan a Jupiterhez. A hidrogén és a hélium tulajdonságai miatt az ilyen planéták mérete durván azonos a Jupiterével. Minél nagyobb a tömeg, annál több hidrogén és hélium cseppfolyósodik a saját súlya alatt, szóval a sűrűség emelkedik a növekvő tömeggel. Tizenöt Jupiter-tömegtől barna törpékről beszelhetünk, hatvan Jupiter-tömeg környékén a sűrűség újfent csökkenésnek indul, mivel a bolygó magjában a nyomás és a hőmérséklet egyre inkább megfelelővé válik a fúziós folyamatok beindításához (ez csak 90 Jupiter-tömeg körül következhet be). Ennek eredményeként a barna törpe felhevül és kitágul, csökkentve a sűrűségét. (Koncz H. Attila: Hogyan építsünk csillagot? – avagy: milyen események és jelenségek szükségesek egy csillag megszületéséig? 2015.08.16. Link:https://www.facebook.com/koncz1987/photos/pb.1772024769689644.-2207520000.1455699372./1892360450989408?type=3&source=42)

Úgy tűnik, hogy a gázóriások birodalma valahol 95 Föld-, és 15 (a barna törpéket is belevéve 60) Jupiter-tömeg között húzódik. Sokak számára érdekességként tűnik, ha ezt a skálát a Naprendszerünkre is alkalmazzuk, hiszen akkor az Uránusz és a Neptunusz a kisebbik, földszerű kategóriába esnének, csupán a Jupitert és éppen hogy a Szaturnuszt gázóriásként hagyva. Néha a Jupiterre, mint a bolyók királyára utalnak, pedig éppen az óriások törpéje, hasonlóan a barna törpékhez. Furcsának tűnhet, pedig nincs benne semmi abszurditás, hogy az Uránusz és a Neptunusz nem gázóriások, pedig az igazság az, hogy ha a Naphoz közelebb alakultak volna ki, akkor a külső rétegeiket valószínűleg elfújta volna a napszél, egy-egy Szuperföldhöz hasonló "kőgolyót" hagyva meg.

A bolygók/exoplanéták kategorizálása végeredményben egy általános, nyolc féle jellemzőt figyelembe vevő rendszerrel így nézne ki - Horváth András kollégám javaslatára:
1. Csillag körül kering-e (ezzel kizárhatóak a holdak)
2. Bolygó mérete: Kicsi, közepes, nagy, óriás, szuperóriás (ezekhez kell határértéket jelentő, átmérőbeli számokat rendelni km-ben) 
3. Bolygó tömege: Ezzel le is van fedve, hogy kellően nagy tömeggel rendelkezik a hidrosztatikus egyensúlyhoz (alapvetően ugye ez azt jelenti, hogy gömbszerű)
4. "Letisztította"-e a keringési pályájának a tőszomszédságát
5. Rendelkezik-e a bolygó szilárd maggal
6. Bolygó belső szerkezete: vagyis a mag/légkör tömegének aránya (kőzetbolygó: ahol a légkör kevesebb, mint 5%; sűrű légkörű bolygó: légkör 5-50%; gázbolygó: Légkör>50%.)
7. Holddal/holdakkal rendelkezik-e
8. A központi csillagtól való távolsága 
- Forró bolygó (T>100 C fok)
- Potenciális folyékony víz zóna (0<T<100 C fok)
-Hideg bolygó (T<0 C fok)
(Ez csak szilárd felszínnel rendelkező bolygóknál releváns)

Még mindig az exobolygók felfedezésének és kutatásának a kezdetén járunk úgy is, hogy már több, mint egy esztendeje túl vagyunk az ezredik darab detektálásán. Ahogy egyre többet tanulunk meg ezen rejtélyes világokról, a bolygók és nembolygók definíciója valószínűleg még számos változáson fog átesni. Azt azonban már most is látjuk, hogy a feltételek közel sem olyan krisztálytiszták, mint ahogy egykoron gondoltuk.

Kép: Bolygók és törpebolygók. A fenti képen a Naprendszerünk bolygói láthatóak, az alsó képen pedig a jelenleg ismert legnagyobb Neptunuszon Túli Égitestestek (Trans-Neptunian Objects, alias TNO). A kakukktojás, ami hiányzik a felsorolásból a helyzete miatt: a Ceresz.
Forrás 1: Jean-Luc Margot. A Quantitative Criterion for Defining Planets.http://arxiv.org/abs/1507.06300 [astro-ph.EP]
Forrás 2: Artie P. Hatzes Heike Rauer. A Definition for Giant Planets Based on the Mass-Density Relationship. http://arxiv.org/abs/1506.05097 [astro-ph.EP]
Forrásfordítás: Szkok Tamás
Szöveg: Koncz H. Attila