یک برخورد غول‌آسا می‌تواند جوّ یک سیاره را نجات دهد
اندازه‌های سیاره‌های فراخورشیدی کوچک را بسنجید تا ببینید در دو گروه جای می‌گیرند: یک قله در حدود 1.3 برابر شعاع زمین، دیگری در حدود 2.4 برابر، با فرورفتگی‌ای در 1.75. گمان می‌رود کوچک‌ها سیاره‌هایی سنگی و برهنه باشند — ابرزمین‌ها (super-Earths). بزرگ‌ها، زیرنپتون‌ها (sub-Neptunes)، سیاره‌هایی سنگی خواهند بود که هنوز در جوّ آغازین خود، سرشار از هیدروژن، پیچیده شده‌اند. پس برخی سیاره‌ها باید مقدار زیادی هیدروژن از دست داده باشند. اما کدام‌ها، و چگونه؟
مظنون همیشگی
انتظار می‌رود سیاره‌های سنگی به اندازهٔ زمین یا بزرگ‌تر، در پایان شکل‌گیری‌شان یک یا چند برخورد غول‌آسا (giant impacts) را از سر بگذرانند، برخی از آن‌ها پس از پراکنده شدن قرص گاز پیرامون ستارهٔ جوان. توضیحی رایج برای این دو گروه این برخوردهای دیرهنگام را مقصر می‌داند: ضربه گوشتهٔ سیاره را گرم می‌کند، سطح سوزان گاز را به گریز وامی‌دارد، و سیاره‌ای دارای جوّ به یک ابرزمین تبدیل می‌شود.
داریوش مدیرروستا-گالیان (Darius Modirrousta-Galian)، از دانشگاه جیائو تونگ شانگهای (Shanghai Jiao Tong University)، و جون کورناگا (Jun Korenaga)، از دانشگاه ییل (Yale University)، استدلال می‌کنند که این تصویر نیمی از دفتر حساب را نادیده می‌گیرد. پژوهش آن‌ها برای انتشار در مجلهٔ Nature Astronomy پذیرفته شده است.
روی دیگر دفتر حساب
برخورد فقط سیاره را گرم نمی‌کند. جرم هم می‌افزاید، و همهٔ این جرم چاه گرانشی را که جوّ را نگه می‌دارد ژرف‌تر می‌کند. در همین حال، تنها بخشی از انرژی برخورد واقعاً گوشته را گرم می‌کند:
- هستهٔ فلزی برخوردکننده در گوشته فرو می‌رود، در راه انرژی اندکی از دست می‌دهد، و در نهایت در ژرفای درون، همچنان بسیار داغ (superheated)، جای می‌گیرد؛
- ذوب شدن سنگ انرژی را به‌صورت گرمای نهان جذب می‌کند، بی‌آنکه دما بالا برود؛
- گرمایی که به سطح می‌رسد در بالای جوّ میرا می‌شود. دما در لایه‌هایی که گریز را کنترل می‌کنند با نور ستاره تعیین می‌شود، نه با زمین داغ زیرین.
برای سیاره‌ای که هستهٔ فلزی‌اش 30% جرمش را تشکیل می‌دهد، حدود 84% انرژی برخورد به گوشته می‌رود، همخوان با شبیه‌سازی‌های دقیق برخورد. گازی که مستقیماً به دست برخوردکننده کنده می‌شود اندک است؛ موج ضربه معمولاً حدود 10 تا 20% جوّ را می‌زداید. به‌طور کلی، نویسندگان درمی‌یابند که چنگ گرانشی سیاره بیش از گرم شدن گوشته‌اش افزایش می‌یابد: پس از برخورد، جوّ محکم‌تر از پیش نگه داشته می‌شود.
صد میلیون سیاره
برای آزمودن این ایده روی یک جمعیت کامل، گروه 100 میلیون سیاره را با پراکندگی‌های واقع‌گرایانه از جرم، دما، هستهٔ فلزی و جوّ شبیه‌سازی کرد. در هر اجرا، هر سیاره بسته به اجرا 52، 63 یا 74% احتمال دارد پس از ناپدید شدن قرص گاز یک برخورد غول‌آسا را تجربه کند — مقادیری برگرفته از شبیه‌سازی‌های شکل‌گیری سیاره‌ها — با برخوردکننده‌ای تا نیمی از جرم نهایی. سپس مدل، سرد شدن گوشتهٔ مذاب و نشت جوّ را در طول 5 میلیارد سال دنبال می‌کند.
نتیجه دو قلهٔ مشاهده‌شده را، در حدود 1.3 و 2.4 شعاع زمین با فرورفتگی‌ای در 1.75، برای هر دستورالعمل برخوردی که آزموده شد بازتولید می‌کند. دو اجرای کنترلی دلیلش را نشان می‌دهند. بدون هیچ برخورد دیرهنگامی، سیاره‌های بیش از حد زیادی برهنه می‌مانند. با یک برخورد برای هر سیاره، سیاره‌های بیش از حد زیادی هیدروژن خود را نگه می‌دارند. برخوردها با گذراندن سیاره‌ها از یک آستانهٔ جرم، که بالاتر از آن هیدروژن سر جایش می‌ماند، این توازن را برقرار می‌کنند.
هرچه برخورد بزرگ‌تر، جوّ امن‌تر
احتمال از دست دادن کل جوّ با افزایش جرم آغازین سیاره و سهم برخوردکننده کاهش می‌یابد. نویسندگان منحنی ساده‌ای برای سهمی از برخوردکننده برازش می‌کنند که در آن تنها 1% سیاره‌ها همه‌چیز را از دست می‌دهند: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794، که در آن χ جرم برخوردکننده تقسیم بر جرم نهایی، و M جرم آغازین بر حسب جرم زمین است. برای سیاره‌ای که با 5 جرم زمین آغاز می‌کند، این یعنی برخوردکننده‌ای حدود یک‌چهارم جرم نهایی؛ بالای این منحنی، سیاره‌ها تقریباً همیشه جوّ آغازین خود را نگه می‌دارند.
دل‌های سنگین‌تر برای زیرنپتون‌ها
اگر برخوردها به سیاره‌ها کمک کنند هیدروژن خود را نگه دارند، پس زیرنپتون‌ها احتمالاً از راه برخوردهای بیشتری رشد کرده‌اند و درون‌های سنگی پرجرم‌تری از ابرزمین‌ها دارند. سیاره‌های اندازه‌گیری‌شده از هم‌اکنون همین سو را نشان می‌دهند: زیرنپتون‌ها بیش از حدود 4 تا 5 جرم زمین وزن دارند و ابرزمین‌ها کمتر. نویسندگان ابزارهایی را برمی‌شمارند که می‌توانند این ایده را بیازمایند — JWST، Ariel و Twinkle در جست‌وجوی هیدروژن در جوّ سیاره‌های بزرگ‌تر، PLATO و JUST برای وزن کردن آن‌ها، و تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن (Nancy Grace Roman Space Telescope) برای رسیدن به جهان‌های کوچک‌تر و دورتر.