Kozmikus rejtekhelyek akadályozhatják a James Webb űrteleszkóp munkáját, miközben az univerzum legszélsőségesebb objektumainak fizikáját teljesen újraírják a kutatók.
A Chicagói Egyetem és a Penn State asztrofizikusai két különálló, de a világűr megértését alapjaiban érintő áttörést mutattak be. A friss kutatások rávilágítanak arra, hogy az eddigi legegyszerűbbnek hitt bolygólégköri modellek és a fekete lyukak statikus fizikai törvényei sem bírják már a lépést a modern megfigyelésekkel. Az űrben zajló extrém folyamatok sokkal dinamikusabbak és rejtőzködőbbek, mint azt a korábbi elméletek feltételezték.
A James Webb űrteleszkóp (JWST) egyik kiemelt feladata a Neptunusz alatti exobolygók vizsgálata, amelyek az univerzum leggyakoribb bolygótípusát képviselik. Ezek a világok átmenetet képeznek a kőzetbolygók és a gázóriások között. A Chicagói Egyetem kutatói szerint azonban a rajtuk található hatalmas mennyiségű víz észrevétlen maradhat a teleszkóp műszerei elől.
Forró magma-óceánok és elpárolgott kőzetek fogságában
A szimulációk alapján a Neptunusz alatti exobolygók sűrű és nehéz légkörrel rendelkeznek, amelyben a nyomás és a hőmérséklet olyan extrém méreteket ölt, hogy a szilikátok és egyéb ásványok elpárolognak. Ezek a gőzök vastag kőzetfelhőket alkotnak a magaslégkörben. A felhőréteg üvegházhatást idéz elő, amely bezárja a hőt, és a bolygók szilárd kérgét folyékony magma-óceánná olvasztja.
Ebben az extrém környezetben a vízmolekulák a sűrűbb gázrétegek alá süllyednek, közvetlenül a magma-óceánok feletti zónába. Mivel a James Webb űrteleszkóp infravörös spektroszkópiával csak a legfelső légköri rétegek összetételét képes elemezni, az elpárolgott kőzetekből álló sűrű felhőtakaró teljesen blokkolja a kilátást a mélyebben elhelyezkedő vízkészletekre. Ez a jelenség alapvetően megváltoztatja azt, ahogyan a csillagászoknak értelmezniük kell az exobolygók spektrális adatait a jövőben.
A fekete lyukak dinamikus működése
Miközben a bolygókutatók a sűrű atmoszférákkal küzdenek, az elméleti fizikusok Stephen Hawking több évtizedes törvényeit frissítették fel. Hawking klasszikus elméletei szerint a fekete lyukak entrópiája (a rendszer rendezetlenségének mértéke) egyenesen arányos az eseményhorizontjuk felszínével. Ez az elv azonban csak tökéletesen stabil, statikus állapotban lévő fekete lyukakra volt alkalmazható.
A valóságban a fekete lyukak folyamatosan változnak: anyagot kebeleznek be, egymással ütköznek, gravitációs hullámokat bocsátanak ki, és a Hawking-sugárzás révén lassan párolognak. A Penn State kutatói által kifejlesztett új elméleti keretrendszer bevezeti a dinamikus entrópiamérést. Ez az új megközelítés lehetővé teszi a termodinamika klasszikus főtételeinek alkalmazását az aktívan változó, összeolvadó és fejlődő fekete lyukakra is, összekötve a kvantummechanikát a klasszikus gravitációelmélettel.
A megfigyelések és elméletek összehasonlítása
Az alábbi adatsor jól szemlélteti, hogyan térnek el az új kutatási eredmények a korábbi tudományos konszenzustól a két érintett területen.
| Vizsgált terület | Korábbi tudományos álláspont | Új kutatási eredmények |
|---|---|---|
| Exobolygók vízkészlete | Ha a JWST nem lát vízpárát a felső légkörben, akkor a bolygó száraz. | A víz a mélybe süllyedve rejtőzködik a nehéz kőzetfelhők alatt. |
| Exobolygók felszíne | A Neptunusz alatti világok felszíne többnyire szilárd vagy gáz halmazállapotú. | Az üvegházhatású kőzetfelhők miatt folyékony magma-óceánok borítják. |
| Fekete lyukak entrópiája | Kizárólag statikus, egyensúlyi állapotú rendszerekre értelmezhető. | Dinamikusan változó, növekvő és összeolvadó rendszerekre is kiszámítható. |
A jövő mérési stratégiái
Mindkét felfedezés arra kényszeríti a kutatókat, hogy újragondolják az eddig alkalmazott vizsgálati módszereket. Az exobolygók esetében a JWST megfigyelési adatait sokkal komplexebb légköri modellekkel kell kombinálni, amelyek számolnak a gázok függőleges rétegződésével és a felhők árnyékoló hatásával. A fekete lyukak terén pedig az új termodinamikai egyenletek segítenek pontosabban értelmezni a gravitációshullám-detektorok által rögzített adatokat az ütközések pillanatában.
