اصطدام عملاق قد ينقذ الغلاف الجوي لكوكب

قِس أحجام الكواكب الخارجية الصغيرة تجدها تنقسم إلى مجموعتين: ذروة عند نحو 1.3 ضعف نصف قطر الأرض، وأخرى عند نحو 2.4 ضعف، مع انخفاض عند 1.75. ويُعتقد أن الصغيرة كواكب صخرية عارية، هي الأراضي الفائقة (super-Earths). أما الكبيرة، أي الكواكب دون النبتونية (sub-Neptunes)، فيُفترض أنها كواكب صخرية ما زالت ملفوفة بغلافها الجوي البدائي الغني بالهيدروجين. لا بد إذن أن بعض الكواكب فقدت كثيرًا من الهيدروجين. لكن أيّها، وكيف؟

المشتبه به المعتاد

يُتوقع أن تتعرض الكواكب الصخرية التي في حجم الأرض أو أكبر لـاصطدام عملاق واحد أو أكثر في نهاية تكوّنها، بعضها بعد أن يتبدد قرص الغاز المحيط بالنجم الفتي. ويُلقي تفسير شائع للمجموعتين باللوم على تلك الاصطدامات المتأخرة: فالصدمة تسخّن وشاح الكوكب، والسطح اللاهب يدفع الغاز إلى الإفلات، فيتحول كوكب ذو غلاف جوي إلى أرض فائقة.

ويرى داريوس موديروستا-غاليان (Darius Modirrousta-Galian)، من جامعة شنغهاي جياو تونغ، وجون كوريناغا (Jun Korenaga)، من جامعة ييل، أن هذه الصورة تُغفل نصف الحساب. وقد قُبلت دراستهما للنشر في مجلة Nature Astronomy.

الوجه الآخر للحساب

لا يقتصر أثر الاصطدام على تسخين الكوكب. فهو أيضًا يضيف كتلة، وكل هذه الكتلة تعمّق البئر الجاذبي الذي يمسك الغلاف الجوي. وفي الوقت نفسه، لا يسخّن الوشاحَ فعلًا إلا جزء من طاقة الاصطدام:

• اللب المعدني للجسم الصادم يهوي عبر الوشاح، فلا يتخلى في طريقه إلا عن قليل من الطاقة، وينتهي به المطاف في الأعماق وهو ما زال شديد السخونة؛
• انصهار الصخر يمتص الطاقة على هيئة حرارة كامنة، من دون أن ترتفع درجة الحرارة؛
• ما يبلغ السطح من حرارة يُخمَد عاليًا في الغلاف الجوي. فدرجة الحرارة في الطبقات التي تتحكم في الإفلات يحددها ضوء النجم، لا الأرض الساخنة تحتها.

ولكوكب يشكّل لبّه المعدني 30% من كتلته، يذهب نحو 84% من طاقة الاصطدام إلى الوشاح، بما يتفق مع المحاكاة التفصيلية للاصطدامات. والغاز الذي ينتزعه الجسم الصادم مباشرة قليل؛ أما موجة الصدمة فتزيل عادةً نحو 10 إلى 20% من الغلاف الجوي. وإجمالًا، يجد المؤلفان أن قبضة الكوكب الجاذبية تزداد أكثر مما يسخن وشاحه: فبعد الاصطدام، يكون الغلاف الجوي ممسوكًا بإحكام أكبر من ذي قبل.

مئة مليون كوكب

لاختبار ذلك على جمهرة كاملة، حاكى الفريق 100 مليون كوكب بتوزيعات واقعية للكتل ودرجات الحرارة واللبوب المعدنية والأغلفة الجوية. وفي كل جولة محاكاة، لكل كوكب فرصة 52 أو 63 أو 74%، بحسب الجولة، للتعرض لاصطدام عملاق بعد زوال قرص الغاز — وهي قيم مأخوذة من محاكاة تكوّن الكواكب — بجسم صادم تصل كتلته إلى نصف الكتلة النهائية. ثم يتتبع النموذج الوشاح المنصهر وهو يبرد والغلاف الجوي وهو يتسرب، على مدى 5 مليارات سنة.

وتعيد النتيجة إنتاج الذروتين المرصودتين، عند نحو 1.3 و2.4 نصف قطر أرضي مع انخفاض عند 1.75، مع كل وصفة اصطدام مُختبرة. ويبيّن تشغيلان ضابطان السبب. فمن دون أي اصطدامات متأخرة، ينتهي عدد كبير جدًا من الكواكب عاريًا. ومع اصطدام لكل كوكب، يحتفظ عدد كبير جدًا منها بهيدروجينه. فالاصطدامات تضبط التوازن بدفع الكواكب إلى ما وراء عتبة كتلة يبقى الهيدروجين فوقها في مكانه.

كلما كبر الاصطدام، كان الغلاف الجوي في أمان أكبر

واحتمال فقدان الغلاف الجوي بأكمله يتناقص كلما ازدادت الكتلة الابتدائية للكوكب وحصة الجسم الصادم. ويوائم المؤلفان منحنى بسيطًا لحصة الجسم الصادم التي لا يفقد عندها كل شيء إلا 1% من الكواكب: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794، حيث χ كتلة الجسم الصادم مقسومة على الكتلة النهائية، وM الكتلة الابتدائية بكتل الأرض. ولكوكب يبدأ بـ5 كتل أرضية، يعني ذلك جسمًا صادمًا كتلته نحو ربع الكتلة النهائية؛ وفوق المنحنى، تحتفظ الكواكب دائمًا تقريبًا بغلافها الجوي البدائي.

قلوب أثقل للكواكب دون النبتونية

إذا كانت الاصطدامات تساعد الكواكب على الاحتفاظ بهيدروجينها، فالأرجح أن الكواكب دون النبتونية نمت عبر عدد أكبر من الاصطدامات وأنها تضم بواطن صخرية أضخم كتلةً من الأراضي الفائقة. والكواكب المقيسة تشير أصلًا إلى هذا الاتجاه: فالكواكب دون النبتونية تزن أكثر من نحو 4 إلى 5 كتل أرضية، والأراضي الفائقة أقل. ويسرد المؤلفان الأدوات القادرة على اختبار الفكرة: JWST وAriel وTwinkle للبحث عن الهيدروجين في الأغلفة الجوية للكواكب الأكبر، وPLATO وJUST لوزنها، وتلسكوب نانسي غريس رومان الفضائي (Nancy Grace Roman Space Telescope) لبلوغ عوالم أصغر وأبعد.