Elméletileg léteznie sem szabadna annak a tömör kőzetbolygónak, amelyet most azonosítottak a csillagászok. A GJ 523b jelű megaföld tömege a Földének csaknem huszonháromszorosa, ami alapjaiban kérdőjelezi meg a korábbi bolygókeletkezési elméleteket. Bár a test átmérője mindössze a saját bolygónk átmérőjének két-félszerese, a belé zsúfolódott hatalmas anyagmennyiség páratlanul nagy sűrűséget eredményez.
Az asztrofizikai kutatások eddigi elvei szerint egy ekkora tömegű égitestnek keletkezése során hatalmas mennyiségű héliumot és hidrogént kellett volna magához vonzania a csillagkörüli gázkorongból. A bolygóképződési szimulációk alapján a Föld tömegének húszszorosát meghaladó szilárd magok elkerülhetetlenül gázóriássá, a Jupiterhez vagy a Neptunuszhoz hasonló égitestté duzzadnak. A GJ 523b azonban fittyet hány erre a szabályra: óriási tömege ellenére megőrizte szilárd, kőzetbolygó jellegét, és alig tartalmaz gázburkot a felszíne felett.
A kutatók számításai szerint a Földünknél nagyságrendekkel nehezebb objektum létezése arra kényszeríti a szakembereket, hogy újragondolják, miként alakulnak ki a szilárd felszínű égitestek a fiatal csillagrendszerekben. Egy ilyen kiterjedésű kőzetmag jelenléte rávilágít arra, hogy a bolygórendszerek kaotikus korai szakasza sokkal összetettebb folyamatokat rejt, mint amit korábban a Naprendszer felépítéséből kikövetkeztettek.
A TESS űrteleszkóp nyomán az arizonai obszervatóriumig
A különleges exobolygót először a NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) űrteleszkópja észlelte. Az eszköz a csillagfény időszakos elhalványodását rögzítette, amikor az égitest áthaladt a központi csillaga előtt. A méréseket követően a Wisconsin-Madison Egyetem kutatói, Max Kroft vezetésével alaposabb vizsgálat alá vetették az objektumot. A részletes megfigyelésekhez az arizonai Kitt Peak Obszervatórium 3,5 méteres WIYN távcsövét hívták segítségül, amellyel spektroszkópiai mérésekkel határozták meg az égitest pontos tömegét és gravitációs hatását.
A mérések megerősítették, hogy a GJ 523b keringési ideje rendkívül pörgős: mindössze 17,75 nap alatt tesz meg egy teljes kört a gazdacsillaga körül. A csillagrendszer életkorát a kutatók körülbelül 170 millió évre becsülik, ami csillagászati léptékkel mérve meglehetősen fiatalnak számít. A fiatal kor ellenére a bolygó sűrűsége eléri a köbcentiméterenkénti mintegy 7,7 grammot, ami jelentősen meghaladja a Föld átlagsűrűségét, és inkább a tömör vas-kőzet keverékek tulajdonságaira hasonlít.
A megfigyelési adatok alapján a rendszer nem mutatja a megszokott gázóriási jegyeket. A WIYN távcső precíziós mérései egyértelművé tették, hogy a csillagot ért gravitációs rángatás kizárólag egy rendkívül nagy tömegű, ám kis térfogatú test jelenlétével magyarázható, ami kizárja a kiterjedt gázlégkör lehetőségét.
A megaföld kategória újszerű meghatározása
A csillagászati szaknyelvben a megaföld kifejezést már több mint egy évtizede használják az átlagosnál lényegesen nagyobb tömegű kőzetbolygók leírására, ám a fogalom sokáig elméleti és kötetlen maradt. A mostani felfedezés és az ahhoz kapcsolódó analízisek révén a kutatók pontosabb kvantitatív határokat igyekeznek szabni a kategóriának. A meghatározás szerint a megaföldek olyan égitestek, amelyek sugara a Föld sugarának 2,1-szerese és 5-szöröse közé esik, miközben sűrűségük meghaladja a Földét.
A felfedezést vezető Thomas Beatty és csapata rávilágított arra, hogy az ilyen extrém égitestek megértéséhez a csillagászok magukban már nem elegendők. A folyamathoz elengedhetetlen a geológusok és a légkörkutatók közreműködése is. Olyan elképesztő belső nyomásviszonyokról van ugyanis szó, amelyek laboratóriumi körülmények között a Földön nem modellezhetők. A vas és a szilikátok viselkedése ezen a skálán teljesen új fizikai tartományokba lép át.
A University of Wisconsin–Madison kutatóintézetének (WiCOR) szakemberei kiemelték, hogy a GJ 523b felfedezése választ adhat arra a kérdésre is, hogy milyen fizikai korlátai vannak a szilárd kéreg kialakulásának. Az extrém gravitációs mező ugyanis drasztikusan módosítja a kőzetek kristályszerkezetét és a köpenyben zajló konvekciós áramlásokat.
Katasztrófa vagy párolgás a rejtélyes összetétel mögött
A tudósok jelenleg két fő hipotézist vizsgálnak annak megválaszolására, miként jöhetett létre a GJ 523b gázburok nélkül. Az egyik lehetőség egy korábbi óriási ütközés: két nagy tömegű szuperföld vagy protobolygó összefeszülése során a keletkező hatalmas energia elfújhatta az eredeti gázlégkört, miközben a két égitest szilárd magja egyetlen óriási kőzettestté olvadt össze.
A másik elképzelés szerint a bolygó eredetileg gázóriásként kezdte pályafutását, ám a csillagához való közelsége és a csillagászati sugárzás elpárologtatta a vastag hidrogén- és héliumréteget. A folyamat végeredményeként csupán a megfosztott, szuperdense mag maradt meg. Bármelyik forgatókönyv igazolódik be a jövőbeli megfigyelések során, a felfedezés bizonyítja, hogy a bolygórendszerek fejlődési útjai jóval változatosabbak annál, mint amit a Naprendszer struktúrája alapján korábban feltételeztek.
Az ütközéses elméletet támogatja az a tény, hogy a fiatal csillagrendszerekben a bolygópályák gyakran instabilak, így a nagy tömegű égitestek közötti gravitációs kölcsönhatások elkerülhetetlenül katasztrofális ütközésekhez vezethetnek. Ha két, egyenként tíz földtömegű szilárd mag csapódott egymásnak, a becsapódási energia könnyedén leszakíthatta az illékony gázburok nagy részét.
Hol helyezkedik el a bolygó az univerzális skálán
A bolygókutatás eddigi történetében a kőzetbolygók és a gázóriások között éles határvonal húzódott. A Földnél nagyobb, de a Neptunusznál kisebb szilárd testeket szuperföldeknek nevezték, míg a gázgazdag égitesteket mini-Neptunuszokként tartották számon. A GJ 523b létezése megtöri ezt a dichotómiát, megmutatva, hogy a természet képes extrém tömegű szilárd testeket is felépíteni.
Az égitest tanulmányozása a The Astronomical Journal lapban való megjelenésre vár, és a kutatási anyag jelenleg az arXiv preprint szerveren érhető el. A felfedezés nyomán a csillagászok újabb megfigyeléseket terveznek a James Webb űrteleszkóppal, hogy közelebbről megvizsgálják a bolygó esetlegesen megmaradt, vékony légköri összetevőit és hősugárzását.
A jövőbeli spektrális elemzések segíthetnek tisztázni, hogy maradt-e bármilyen nehéz elemből álló légkör a felszínen, vagy egy teljesen kopár, fémekben és szilikátokban gazdag óriási kőzetvilággal állunk szemben. A válaszok nemcsak a GJ 523b múltját világíthatják meg, hanem a Tejútrendszer távoli szegleteiben rejtőző többi megaföld természetére is fényt deríthetnek.
