78701
Az MTA hírei
Vissza
2009. 05. 13.

Hogyan keletkeztek az üstökösök kristályai?

Az MTA Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézete munkatársainak meghatározó részvételével működő nemzetközi kutatócsoport új magyarázatot talált arra, hol és hogyan keletkeztek az üstökösök kristályai. Eredményeiket a Nature közölte.

A cikk elérhető a Nature honlapján:

Episodic formation of cometary material in the outburst of a young Sun-like star

P. Ábrahám, A. Juhász, C. P. Dullemond, Á. Kóspál, R. van Boekel, J. Bouwman, Th. Henning, A. Moór, L. Mosoni, A. Sicilia-Aguilar, N. Sipos
Nature 459, 227-229 (14 May 2009)

Fiatal csillagok kutatása
az MTA Csillagászati Kutatóintézetében
A fiatal, időnként váratlanul felfényesedő eruptív csillagok vizsgálata az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézet sikeres kutatási témái közé tartozik. Az EX Lupi-hoz sok hasonlóságot mutató V1647 Orionis csillag 2004-2006-os kitörése során a forrás végső elhalványodását a világon elsőként a Piszkéstetői Obszervatóriumban észlelte Kóspál Ágnes, akkor az Intézet doktorandusza, ma a Leideni Obszervatórium munkatársa.(Ld. korábbi cikkünket: Csillagok homályban).

Az Intézetben a Magyar Űrkutatási Iroda és a European Space Agency (ESA) támogatásával évek óta működő infravörös és űrcsillagászati csoport több más kutatási programra is időt nyert a Spitzer űrtávcsövön. Ezen mérések alapján vizsgálják a születőfélben lévő csillagok környezetét, valamint az idősebb, a Naphoz hasonló csillagokat körülvevő porkorongokat. A csoport részt vállal az ESA Herschel űrmissziójában, mind a földi előkészítésben, mind az űrtávcső aktív időszakában.

A tudósok régóta  szeretnék megfejteni annak titkát, hogyan kerülhettek a rendkívül forró hőmérsékleten keletkező apró szilikátkristályok a Naprendszer hideg, külső peremvidékén kialakuló fagyos üstökösökbe. Ezek a kristályok valószínűleg amorf szilikátszemcseként kezdték életüket ugyanabban a gáz- és porfelhőben, amelyből naprendszerünk is kialakult. A kutatók elképzelésüket egy fiatal, a korai Naphoz hasonló csillagnak a NASA Spitzer Űrtávcsövével végzett megfigyeléseire alapozzák. Vizsgálatuk, amelyet a Nature folyóirat május 14-i száma közöl, betekintést nyújt az üstökösök és a bolygók kialakulásának rejtélyébe.

A magyar, német és holland kutatóintézetek munkatársaiból szerveződött kutatócsoport tagjai megfigyelték, amint egy fiatal csillag kitörésének következtében a szilikátszemcsék kristályokká alakulnak át. A gyakran kifényesedő EX Lupi nevű csillag 2008. évi kitörése során a Spitzer űrtávcsővel olyan színképi jellegzetességeket fedeztek fel a csillag infravörös sugárzásában, amelyek az EX Lupi-t körülvevő por- és gázkorong felszínén szilikátkristályok jelenlétére utaltak. Ez azért meglepő, mert a csillag környezetéről nyugalmi állapotban készült korábbi mérésben nem látszódtak kristályok.

1. ábra: Fantáziarajz az EX Lupi fiatal csillagot körülvevő por- és gázkorongról. A kitörés során a korong belső pereméről a központi csillagra hulló anyag felszabaduló energiája felfűti a korongot.  Ahol a hőmérséklet a korong felszínén 900 °C fölé emelkedik, az amorf szerkezetű szilikát porszemcsék átkristályosodnak (forrás: NASA/JPL-Caltech).

 

Juhász Attila
Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi karán szerzett csillagász diplomát 2006-ban. A fiatal csillagok utáni  érdeklődés harmadéves csillagászként ébredt fel benne. Ennek  eredményeként diplomamunkáját fiatal csillagok körüli por- és  gázkorongokban lejátszódó dinamikai folyamatokról írta az MTA KTM  CSKI-ban. Témavezetője Ábrahám Péter volt, a diplomamunka címe:  Közepes tömegű fiatal csillagok infravörös változékonysága. A  tanulmány nemzetközi folyóiratban is megjelent, és azon első  vizsgálatok egyike, melyben a protoplanetáris korongokban  lejátszódó időfüggő folyamatokat sikerült megfigyelni, és azokat  elméleti modellszámításokkal magyarázni. A diploma megszerzése után a heidelbergi Max-Planck-Institut für  Astronomie-ban folytatta tanulmányait doktoranduszként. Itt fő  kutatási témája a protoplanetáris korongokban lévő por fizikai  és kémiai tulajdonságainak vizsgálata, illetve azok hatása a  korongok szerkezetére. A témavezetője prof. Dr. Thomas Henning, a  doktori értekezés címe: Porfejlődés protoplanetáris korongokban.

„Tudomásunk szerint ez az első eset, hogy közvetlenül megfigyelhettük a kristályképződés folyamatát” – mondja Juhász Attila, aki az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézetében írta a diplomamunkáját, jelenleg pedig a heidelbergi Max-Planck-Institut für Astronomie doktorandusza. „Úgy gondoljuk, hogy a kristályok apró amorf porszemcsék felhevítésével jöhettek létre a csillagkörüli korong belső részének felszínén a kitörésből származó hő hatására. Ez egy teljesen új forgatókönyv arra, hogy keletkezhetnek ezek az anyagok."

A hevítés során egy bizonyos hőmérséklet felett az amorf anyagban felbomlanak a kötések, helyettük újak alakulnak ki, és a folyamat során megváltoznak az anyag fizikai tulajdonságai. Ez az egyik módja annak, hogy a szilikát por átkristályosodjon.

A kutatóknak korábban kétféle elképzelésük volt arról, hogy hő hatására hogyan jöhetnek létre az üstökösökben és a fiatal csillagok korongjában megfigyelhető kristályok. Egyrészt, ha sokáig vannak hőhatásnak kitéve egy újszülött csillag forró környezetében, akkor a por egy része a korong belső részén átkristályosodhat. Másrészt a korongban mozgó nagyobb égitestek lökéshullámokat kelthetnek, amelyek képesek az útjukba eső porszemcséket rövid időre a kristályosodáshoz szükséges magas hőmérsékletre fűteni, utána viszont a szemcsék gyorsan visszahűlnek korábbi hőmérsékletükre.

ANIMÁCIÓ
A film azt illusztrálja, hogy keletkezhettek kristályos szilikát szemcsék – olyanok, amilyeneket az üstökösök anyagában is látunk –, az  EX Lupi, egy a Naphoz hasonló fiatal csillag kitörése során. Elsőként a csillagot látjuk, amint körülveszi egy porból és gázból álló ún. protoplanetáris korong. A porszemcsék többsége nem kristályos, hanem amorf szerkezetű szilikát szemcse. Eután elkezdődik az anyag behullása a korongból a csillagra, ami növeli a csillag tömegét, valamint felfűti és drámai módon felfényesíti a rendszer középső területeit. A kitörés következtében a korongban is megemelkedik a hőmérséklet. Ezután a korongban lévő szilikát részecskéket vesszük szemügyre. Ahogy a korong egyre melegebb lesz, a részecskék a hevítés következtében kristályos szerkezetűvé alakulnák át. Az így keletkezettekhez hasonló forszterit kristályokat gyakran megfigyelhetünk a naprendszerbeli üstökösök anyagában is (forrás: NASA/JPL-Caltech).

Ábrahám Péter
Ábrahám Péter fizikus és csillagász, az MTA doktora, az MTA Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetének igazgatóhelyettese. A heidelbergi Max Planck intézet munkatársaként több éven át az Európai Űrügynökség (ESA) Infrared Space Observatory (ISO) űrtávcsövének kalibrációs csoportjában dolgozott. A műszerkalibráció mellett fiatal, fősorozat előtti csillagokat vizsgált infravörös hullámhosszakon. Ekkor alakult ki érdeklődése a csillag körüli korongok és a bennük lejátszódó folyamatok iránt. A Naprendszer belső vidékeit kitöltő, az állatövi fényért felelős bolygóközi porfelhőt is speciális korongként vizsgálta. Kutatásaival jelentősen hozzájárult a csillag körüli anyag szerkezetének és fizikai tulajdonságainak pontosabb megismeréséhez. Infravörös űrcsillagászati és interferométeres mérések alapján meghatározta (a főként fiatal csillagok körül kialakuló) protoplanetáris korongok sűrűség- és hőmérséklet-eloszlását, porösszetételét, s hatékony módszert dolgozott ki a korongmodellek vizsgálatára. Kollégáival létrehozta a Konkoly Infravörös és Űrcsillagászati Csoportot, amely az asztrofizikai kutatások mellett nemzetközi űrcsillagászati projektekben is részt vesz. 2002 és 2006 között javított kalibrációjú ISO-méréseket szállítottak a központi ISO-archívumba, 2004 óta pedig a következő infravörös ESA-űrtávcső, a 2009 május 14-én felbocsájtandó Herschel Space Observatory előkészítő munkálatain dolgoznak.

Amit Juhász és munkatársai megfigyeltek az EX Lupi környezetében, az nem illeszkedik egyik forgatókönyvbe sem. „Arra a következtetésre jutottunk, hogy ez egy harmadik, eddig ismeretlen lehetőség arra, hogy hevítés hatására szilikát kristályok jöjjenek létre egy csillagkörüli korongban” – teszi hozzá a cikk vezető kutatója, Ábrahám Péter, az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézet tudományos tanácsadója.

Az EX Lupi sok szempontból hasonlít arra, amilyen a Nap lehetett 4-5 milliárd évvel ezelőtt. A csillag néhány évente rendszeresen kifényesedik, ami azzal magyarázható, hogy a csillagkörüli korong belső peremén fokozatosan felhalmozódó anyag rövid idő alatt rázúdul a csillagra. A kifényesedések mértéke változhat, az egészen nagy kitörések azonban, mint a 2008-as, csak körülbelül 50 évenként követik egymást.

A kutatócsoport kezdeményezésére 2008 áprilisában felvétel készült az EX Lupi-ról a Spitzer Ûrtávcső infravörös színképelemző berendezésével. Bár a csillag már halványodott januári, a kitörés csúcsán mért fényességéhez képest, még mindig harmincszor fényesebb volt, mint nyugalomban. Amikor az új felvételt összehasonlították a csillagról 2005-ben készített nyugalmi Spitzer méréssel, a változások szembeötlőek voltak.

2005-ben a csillag korongjának felszínét amorf szerkezetű szilikát por alkotta. 2008-ban azonban a színkép az amorf porszemcséken kívül szilikát kristályok jelenlétét is kimutatta. A kristály valószínűleg forszterit, mely gyakran megtalálható üstökösökben és fiatal csillagok körüli korongokban is. A színkép alapján a kristályok forróak, ami azt bizonyítja, hogy magas hőmérsékleten alakultak ki. Biztosra vehető azonban, hogy nem lökéshullám hatására keletkeztek, ebben az esetben ugyanis már sokkal hidegebbek lennének, mint azt a 2008-ban megfigyelt színképük sugallja.

„A kitörés során az EX Lupi körülbelül százszor lett fényesebb" - mondja Juhász. ,,A kristályok a korong felső rétegében jöttek létre, de csak a csillagtól olyan távolságra, ahol a hőmérséklet 700 és 1200 °C közé esik. Ebben a tartományban a hőmérséklet elég magas volt ahhoz, hogy a szilikátszemcsék átkristályosodjanak, de még nem párologtak el. Az a tartomány, ahol a kristályok keletkeztek, megfeleltethető annak, ahol a föld-típusú bolygók elhelyezkednek Naprendszerünkben. 

Egy újabb rejtélyre is felhívják a szerzők a figyelmet. Az EX Lupinak 1955-56-ban volt egy, a 2008-ashoz hasonló hatalmas kitörése. Valószínű, hogy akkor is keletkezhettek kristályok a korong felszínén, de vajon mi történhetett velük? 2005-re, vagyis keletkezésük után csupán ötven évvel vagy megsemmisültek, vagy lekeveredtek a korong mélyebb rétegeibe.

„Ez az első alkalom, hogy közvetlenül megfigyelhettük az üstökösökben és meteoritokban található kristályos szilikátok keletkezését" – összegzi a kutatási eredményeket Michael Werner, a Spitzer projektvezető kutatója a NASA Jet Propulsion Laboratory-ból (Pasadena, Kalifornia). Amit ma látunk az üstökösökben, az a fiatal Nap ismétlődő kitöréseinek tüzében keletkezhetett.

2. ábra: Kristálykeletkezés egy fiatal csillag körül. A két görbe a Spitzer színképelemző berendezésével az EX Lupi fiatal csillag körüli por- és gázkorongról készített spektrumokat mutatja. A kék vonal egy 2005. március 18-i mérés, amikor a csillag még kitörés előtt, nyugalmi állapotban volt. A háromszögletű csúcs a csillagközi térben található amorf szilikát szemcsék jellegzetessége. A zöld vonal egy későbbi mérés 2008. április 21-éről, amikor a csillag már kitörésben volt. A vonal alatti zöld terület azt a színképi változást mutatja, amely az újonnan keletkezett kristályos szilikát szemcséknek (ld. kis kép) tulajdonítható.  A két színképet úgy skálázták össze, hogy kihangsúlyozza a forszterit kristályok színképi jellegzetességeit. A második mérés idején az EX Lupi még mindig 30-szor fényesebb volt mint nyugalomban.

Forrás: NASA/JPL-Caltech

 

Kapcsolódó sajtóközlemények:

A NASA Jet Propulsion Laboratory sajtóközleménye

A Max-Planck-Institut für Astronomie sajtóközleménye