Kitörések tüzében keletkeztek az üstökösök kristályai
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar, Távoli világok kutatói - 2009.05.13 19:00.)

Magyar csillagászoknak a NASA Spitzer-űrtávcsöve segítségével tett felfedezését a tekintélyes brit tudományos lap, a Nature holnapi száma közli.

A tudósok régóta szeretnék megfejteni annak titkát, hogyan kerülhettek a rendkívül forró hőmérsékleten keletkező apró szilikátkristályok a Naprendszer hideg, külső peremvidékén kialakuló fagyos üstökösökbe. Valószínűleg ezek a kristályok amorf szilikátszemcseként kezdték életüket, ugyanabban a gáz- és porfelhőben, amelyből Naprendszerünk is kialakult. Egy nemzetközi kutatócsoport, melyben meghatározó szerepet játszottak a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetének munkatársai, új magyarázatot talált arra, hol és hogyan keletkeztek az üstökösök kristályai. 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 Lupit körülvevő por- és gázkorong felszínén szilikátkristályok jelenlétére utaltak. Ez azért meglepő, mert a csillag környezetéről nyugalmi állapotban készült korábbi mérésben nem látszódtak kristályok.

„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 csillag körüli 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.

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 szilikátkristályok jöjjenek létre egy csillag körüli korongban” – teszi hozzá a cikk vezető kutatója, Ábrahám Péter, az MTA KTM Csillagászati Kutatóintézet tudományos tanácsadója.

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. (Kép: NASA / JPL-Caltech)

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 csillag körüli 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-űrtávcső 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 szilikátkristályok 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.

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 szilikátszemcsék 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 szilikátszemcséknek (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. (Kép: NASA / JPL-Caltech).

„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.

A jelenségről animáció is készült, amely itt elérhető. A film azt illusztrálja, hogy keletkezhettek kristályos szilikátszemcsék – olyanok, amiket 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 szilikátszemcse. 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 szilikátrészecskéket vesszük szemügyre. Ahogy a korong egyre melegebb lesz, a részecskék a hevítés következtében kristályos szerkezetűvé alakulnak át. Az így keletkezettekhez hasonló forszterit kristályokat gyakran megfigyelhetünk a naprendszerbeli üstökösök anyagában is. (Forrás: NASA/JPL-Caltech).

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. Az Intézetben a Magyar Űrkutatási Iroda és az Európai Űrügynökség (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.