2015.06.09. - MÁZas exoholdak

Dobos Vera amerikai kollégájával a korábbiaknál pontosabb modell alapján vizsgálta a Naprendszeren kívüli, ma még csak elméletben létező holdak fűtési mechanizmusát, ami a folyékony víz jelenlétére is hatással lehet.

Nap mint nap hallhatunk új exobolygó felfedezésekről, de lehetséges holdjaikról annál ritkábban. Igaz, exoholdat még nem találtak, de küszöbön áll felfedezésük korszaka. A Kepler-űrtávcső már bizonyította, hogy képes a Földnél kisebb égitestek kimutatására is, a közeljövő új űrmissziói pedig, mint a James Webb vagy a PLATO űrtávcső, legalább ilyen pontos méréseket fognak végezni. Éppen ezért fontos, hogy már az első felfedezésekkor rendelkezzünk némi ismerettel a távoli bolygórendszerek holdjairól.

A csillag körüli, úgynevezett lakhatósági zónán kívül is lehetséges víz létezése egy égitest felszínén. Ha egy hold közel kering bolygójához, és nem körpályán, hanem némileg elnyúlt ellipszispályán halad, akkor árapályerők lépnek fel mindkét égitestben. Az árapályerők súrlódást keltenek a hold belsejében, ami felmelegedéshez vezet. Az így keletkezett hő belülről fűti az égitestet, ami adott esetben számottevően növelheti a felszíni hőmérsékletét.

Dobos Vera (MTA CSFK CSI) és Edwin L. Turner (Princeton University) először alkalmaztak olyan árapályfűtési modellt exoholdakra, amely az égitest anyagának belső olvadását is figyelembe veszi. A korábban használt modellek jóval egyszerűbbek voltak, mert a holdat homogén, statikus kőzetként kezelték. A most alkalmazott modell előnye, hogy a kőzetégitest fizikai paramétereinek a hold belsejében kialakuló hőmérséklet függvényében való változását is leírja. Így elegendően nagy hőmérséklet esetén akár az anyag olvadását, vagy részleges olvadását is figyelembe veszi, ezáltal valósághűbben festi le az égitest belsejében zajló folyamatokat. A fázisátalakulás következménye, hogy a felszínre érve a hőmérséklet nem nő meg annyira, mint a korábbi modellek esetében, hanem mérsékeltebb marad. Így végeredményben az élet lehetősége szempontjából kedvezőbb eredményeket ad.

Azt a bolygó körüli területet, ahol egy adott méretű hold átlagos felszíni hőmérséklete 0 és 100 °C közé esik, a kutatók Mérsékelt Árapályfűtési Zónának (MÁZ) nevezték el. A MÁZ bolygó körüli helyzete függ a hold méretétől, átlagos sűrűségétől, keringési periódusától, és ellipszis alakú pályájának elnyúltságától. A számolásokban tisztán az árapályfűtést vették figyelembe, a csillagból érkező sugárzást, az égitest légkörét, és az egyéb hatásokat elhanyagolták. Így az árapályfűtés hőmérsékleti hatásait önmagában tudták vizsgálni, az eredményeket pedig könnyebb összehasonlítani a korábbi modellek eredményeivel. A MÁZ helyzete azért érdekes, mert megmutatja, hogy a bolygó körül milyen távolságban keringhetnek azok a holdak, amelyeknek felszíni hőmérséklete megfelelő ahhoz, hogy a víz folyékony halmazállapotban legyen rajtuk (feltételezve, hogy a földivel megegyező a légnyomás). Mivel a csillagból érkező sugárzást vették figyelembe, így az eredmény olyan bolygó-hold párosokra használható, amelyek a csillagtól megfelelően nagy távolságban keringenek ahhoz, hogy a holdon az árapályfűtés legyen a meghatározó energiaforrás. Az eredmények azt mutatják, hogy a bolygótól körülbelül 1,5-2 nap keringési periódusnak megfelelő távolságra található a MÁZ - a bolygótól való tényleges távolság tehát a bolygó tömegének függvénye. Egy Jupiteréhez hasonló tömegű bolygó körül például durván 460 ezer km távolságban, az Io keringési pályájának környékén húzódik a MÁZ. Vegyük azonban figyelembe, hogy kisebb tömegű holdakra (ilyen például az Io is) csak a bolygóhoz közelebbi pályákon alakul ki a MÁZnak megfelelő felszíni hőmérséklet.

Az árapályfűtés következtében kialakuló felszíni hőmérséklet az exohold sugarának és keringési periódusának függvényében. A sárga görbék 0 és 100 °C (273 és 373 kelvin) hőmérsékletnek felelnek meg, és a bolygó körüli, úgynevezett Mérsékelt Árapályfűtési Zónát (MÁZ) határolják. Látható, hogy a MÁZ erősen függ a hold keringési periódusától, míg méretétől sokkal kevésbé. A kisebb sugarú égitestek (az ábra alsó harmadában) csekélyebb jelentőséggel bírnak, mert ezek kis tömegük miatt kevésbé képesek jelentős légkör megtartására. A képzeletbeli Exo-Föld nevű hold méretében, sűrűségében és átlagos felszíni hőmérsékletében is megegyezik saját Földünkével. Ahhoz, hogy ezeket a tulajdonságait megtartsa, kb. 2 napos keringési periódussal kell haladjon kissé elnyúlt pályáján egy szintén képzeletbeli bolygó körül.
[Dobos és Turner, 2015]

A kutatók olyan eseteket is vizsgáltunk, melyeknél a hold mérete és sűrűsége nagyjából megegyezik Földünkével, így feltételezhetjük, hogy egy ilyen égitesten a földihez hasonló légköri viszonyok alakulnak ki. Korábbi kutatások arra utalnak, hogy a Föld óceánjai lassan "elpárolognának" (a víz hidrogénkészlete a légkörbe, majd onnan a világűrbe szökne), ha az átlagos felszíni hőmérséklet mintegy 60 °C fölé emelkedne. A mikrobiális aktivitás alsó határa pedig körülbelül -20 °C sós oldatokban. Ezért a Földhöz hasonló égitestek vizsgálatához ezt a két hőmérsékleti határt választották. Azt találták, hogy ha egyenletes eloszlást feltételeznek a holdak keringési pályájának elnyúltságában, akkor az égitest belső olvadását leíró modell 2,3-szer több esetben ad a hold felszíni hőmérsékletére -20 és 60 °C közötti hőmérsékletet, mint a korábban használt, olvadás nélküli modellek.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban jelent meg.

Forrás:

• arXiv:1502.07090v1 [astro-ph.EP]