একটি দানবীয় সংঘর্ষ গ্রহের বায়ুমণ্ডল বাঁচাতে পারে

ছোট বহির্গ্রহগুলোর আকার মাপুন, দেখবেন সেগুলো দুটি দলে ভাগ হয়ে যায়: একটি শিখর পৃথিবীর ব্যাসার্ধের প্রায় 1.3 গুণে, আরেকটি প্রায় 2.4 গুণে, মাঝে 1.75-এ একটি খাদ। ছোটগুলোকে খালি পাথুরে গ্রহ বলে মনে করা হয় — সুপার-আর্থ (super-Earth)। বড়গুলো, সাব-নেপচুন (sub-Neptune), হবে এমন পাথুরে গ্রহ যারা এখনো তাদের হাইড্রোজেন-সমৃদ্ধ আদি বায়ুমণ্ডলে মোড়া। তাই কিছু গ্রহ নিশ্চয়ই অনেক হাইড্রোজেন হারিয়েছে। কিন্তু কোনগুলো, আর কীভাবে?

চেনা সন্দেহভাজন

পৃথিবীর সমান বা তার চেয়ে বড় পাথুরে গ্রহগুলো তাদের গঠনের শেষে এক বা একাধিক দানবীয় সংঘর্ষের (giant impact) শিকার হয় বলে ধারণা করা হয়, যার কয়েকটি ঘটে তরুণ তারার চারপাশের গ্যাসের চাকতি ছড়িয়ে পড়ার পরে। দুটি দলের একটি জনপ্রিয় ব্যাখ্যা দেরিতে ঘটা এই সংঘর্ষগুলোকে দায়ী করে: অভিঘাত গ্রহের ম্যান্টল উত্তপ্ত করে, জ্বলন্ত পৃষ্ঠ গ্যাসকে পালাতে বাধ্য করে, আর বায়ুমণ্ডলধারী একটি গ্রহ পরিণত হয় সুপার-আর্থে।

সাংহাই জিয়াও টং ইউনিভার্সিটির দারিউস মোদিররুস্তা-গালিয়ান এবং ইয়েল ইউনিভার্সিটির জুন কোরেনাগা যুক্তি দেন যে এই চিত্রটি হিসাবের খাতার অর্ধেকটাই বাদ দিয়ে যায়। তাঁদের গবেষণাটি Nature Astronomy সাময়িকীতে প্রকাশের জন্য গৃহীত হয়েছে।

খাতার অন্য দিক

একটি সংঘর্ষ কেবল গ্রহকে উত্তপ্তই করে না। এটি ভরও যোগ করে, আর সেই সব ভর বায়ুমণ্ডল ধরে রাখা মহাকর্ষীয় কূপটিকে আরও গভীর করে। এদিকে, সংঘাতের শক্তির কেবল একটি অংশই আসলে ম্যান্টলকে উষ্ণ করে:

আঘাতকারীর ধাতব কেন্দ্র ম্যান্টলের ভেতর দিয়ে নেমে যায়, পথে সামান্য শক্তি ছাড়ে, এবং শেষে গভীর অভ্যন্তরে গিয়ে থামে, তখনও অতি-উত্তপ্ত;
গলতে থাকা পাথর তাপমাত্রা না বাড়িয়ে সুপ্ত তাপ হিসেবে শক্তি শুষে নেয়;
যে তাপ পৃষ্ঠে পৌঁছায় তা বায়ুমণ্ডলের অনেক ওপরে স্তিমিত হয়ে যায়। যে স্তরগুলো পলায়ন নিয়ন্ত্রণ করে সেখানকার তাপমাত্রা ঠিক করে তারার আলো, নিচের উত্তপ্ত ভূমি নয়।

যে গ্রহের ভরের 30% তার ধাতব কেন্দ্র, তার ক্ষেত্রে সংঘাতের শক্তির প্রায় 84% যায় ম্যান্টলে, যা বিস্তারিত সংঘর্ষ-সিমুলেশনের সঙ্গে সংগতিপূর্ণ। আঘাতকারী সরাসরি যে গ্যাস ছিঁড়ে নেয় তা সামান্য; অভিঘাত-তরঙ্গ সাধারণত বায়ুমণ্ডলের প্রায় 10 থেকে 20% সরিয়ে দেয়। সব মিলিয়ে, লেখকেরা দেখান, গ্রহের মহাকর্ষীয় বাঁধন যতটা বাড়ে, তার ম্যান্টল ততটা উত্তপ্ত হয় না: সংঘর্ষের পরে বায়ুমণ্ডল আগের চেয়ে আরও শক্ত করে ধরা থাকে।

দশ কোটি গ্রহ

একটি পুরো গ্রহগোষ্ঠীর ওপর এটি যাচাই করতে দলটি ভর, তাপমাত্রা, ধাতব কেন্দ্র ও বায়ুমণ্ডলের বাস্তবসম্মত বিস্তারসহ 10 কোটি গ্রহের সিমুলেশন করেছে। প্রতিটি দফার সিমুলেশনে, গ্যাসের চাকতি মিলিয়ে যাওয়ার পরে প্রতিটি গ্রহের একটি দানবীয় সংঘর্ষের সম্ভাবনা দফাভেদে 52, 63 বা 74% — মানগুলো গ্রহ গঠনের সিমুলেশন থেকে নেওয়া — যেখানে আঘাতকারীর ভর চূড়ান্ত ভরের অর্ধেক পর্যন্ত হতে পারে। এরপর মডেলটি 500 কোটি বছর ধরে গলিত ম্যান্টলের শীতল হওয়া এবং বায়ুমণ্ডলের চুইয়ে বেরিয়ে যাওয়া অনুসরণ করে।

ফলাফলটি পর্যবেক্ষিত দুটি শিখর পুনরুৎপাদন করে, পৃথিবীর ব্যাসার্ধের প্রায় 1.3 ও 2.4 গুণে, 1.75-এ খাদসহ, সংঘর্ষের যত রকম বিন্যাস পরীক্ষা করা হয়েছে তার প্রতিটিতেই। দুটি নিয়ন্ত্রণ-চালনা দেখায় কেন। দেরিতে ঘটা কোনো সংঘর্ষ না থাকলে খুব বেশি গ্রহ খালি হয়ে যায়। প্রতিটি গ্রহের জন্য একটি সংঘর্ষ থাকলে খুব বেশি গ্রহ তাদের হাইড্রোজেন ধরে রাখে। সংঘর্ষগুলো গ্রহগুলোকে একটি ভরের সীমা পার করিয়ে দিয়ে ভারসাম্য ঠিক করে, যার ওপরে হাইড্রোজেন জায়গামতো থেকে যায়।

সংঘর্ষ যত বড়, বায়ুমণ্ডল তত নিরাপদ

পুরো বায়ুমণ্ডল হারানোর সম্ভাবনা গ্রহের শুরুর ভর এবং আঘাতকারীর অংশ যত বাড়ে ততই কমে। লেখকেরা আঘাতকারীর সেই অংশের জন্য একটি সরল বক্ররেখা মেলান যেখানে মাত্র 1% গ্রহ সবকিছু হারায়: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794, যেখানে χ হলো আঘাতকারীর ভরকে চূড়ান্ত ভর দিয়ে ভাগ করলে যা পাওয়া যায়, আর M হলো পৃথিবী-ভরের এককে শুরুর ভর। যে গ্রহ 5 পৃথিবী-ভর নিয়ে শুরু করে, তার জন্য এর মানে চূড়ান্ত ভরের প্রায় এক-চতুর্থাংশের একটি আঘাতকারী; বক্ররেখার ওপরে গ্রহগুলো প্রায় সবসময়ই তাদের আদি বায়ুমণ্ডল ধরে রাখে।

সাব-নেপচুনের ভারী হৃদয়

সংঘর্ষ যদি গ্রহগুলোকে তাদের হাইড্রোজেন ধরে রাখতে সাহায্য করে, তবে সাব-নেপচুনগুলো সম্ভবত আরও বেশি সংঘর্ষের মধ্য দিয়ে বেড়ে উঠেছে এবং সুপার-আর্থদের চেয়ে বেশি ভারী পাথুরে অভ্যন্তর ধারণ করে। মাপা গ্রহগুলো ইতিমধ্যেই সেদিকে ইঙ্গিত দেয়: সাব-নেপচুনগুলোর ভর প্রায় 4 থেকে 5 পৃথিবী-ভরের বেশি, সুপার-আর্থদের কম। লেখকেরা সেই যন্ত্রগুলোর তালিকা দেন যা ধারণাটি পরীক্ষা করতে পারে — বড় গ্রহগুলোর বায়ুমণ্ডলে হাইড্রোজেন খুঁজবে JWST, Ariel ও Twinkle, সেগুলোর ভর মাপবে PLATO ও JUST, আর ক্ষুদ্রতর, আরও দূরের জগতে পৌঁছাবে ন্যান্সি গ্রেস রোমান স্পেস টেলিস্কোপ।