एक महाकाय टक्कर ग्रहाचे वातावरण वाचवू शकते

लहान बहिर्ग्रहांचे आकार मोजले, तर ते दोन गटांत विभागले जातात: एक शिखर पृथ्वीच्या त्रिज्येच्या सुमारे 1.3 पट, दुसरे सुमारे 2.4 पट, आणि 1.75 वर एक खळगा. लहान ग्रह उघडे खडकाळ ग्रह — सुपर-अर्थ — असावेत असे मानले जाते. मोठे, सब-नेपच्यून, हे अजूनही आपल्या हायड्रोजनयुक्त आदिम वातावरणात गुंडाळलेले खडकाळ ग्रह असावेत. म्हणजे काही ग्रहांनी भरपूर हायड्रोजन गमावला असला पाहिजे. पण कोणत्या, आणि कसा?

नेहमीचा संशयित

पृथ्वीएवढ्या किंवा त्याहून मोठ्या खडकाळ ग्रहांना त्यांच्या निर्मितीच्या शेवटी एक किंवा अधिक महाकाय आघात सोसावे लागतात अशी अपेक्षा आहे; त्यांपैकी काही, तरुण ताऱ्याभोवतीची वायूची तबकडी विरून गेल्यानंतर होतात. दोन गटांसाठीचे एक लोकप्रिय स्पष्टीकरण या उशिराच्या टकरींना दोष देते: धक्का ग्रहाचे प्रावरण तापवतो, तप्त पृष्ठभाग वायूला निसटण्यास भाग पाडतो, आणि वातावरण असलेला ग्रह सुपर-अर्थ बनतो.

शांघाय जिआओ टोंग विद्यापीठाचे Darius Modirrousta-Galian आणि येल विद्यापीठाचे Jun Korenaga असा युक्तिवाद करतात की या चित्रात हिशोबाची अर्धी बाजू सुटली आहे. त्यांचा अभ्यास Nature Astronomy या नियतकालिकात स्वीकारला गेला आहे.

हिशोबाची दुसरी बाजू

टक्कर ग्रहाला फक्त तापवत नाही. ती वस्तुमानातही भर घालते, आणि ते सगळे वस्तुमान वातावरण धरून ठेवणारी गुरुत्वीय विहीर अधिक खोल करते. दरम्यान, आघाताच्या ऊर्जेचा केवळ एक भागच प्रत्यक्षात प्रावरण तापवतो:

आघात करणाऱ्या वस्तूचा धातूचा गाभा प्रावरणातून खाली कोसळतो, वाटेत थोडीच ऊर्जा सोडतो, आणि अजूनही अतितप्त अवस्थेत खोलवर जाऊन स्थिरावतो;
वितळणारा खडक तापमान न वाढवता, सुप्त उष्णतेच्या रूपात ऊर्जा शोषून घेतो;
पृष्ठभागापर्यंत पोहोचणारी उष्णता वातावरणात उंचावर क्षीण होते. निसटण्यावर नियंत्रण ठेवणाऱ्या थरांतील तापमान ताऱ्याच्या प्रकाशाने ठरते, खालच्या तप्त जमिनीने नव्हे.

ज्या ग्रहाच्या वस्तुमानापैकी 30% वस्तुमान धातूचा गाभा आहे, त्याच्यासाठी आघाताच्या ऊर्जेपैकी सुमारे 84% ऊर्जा प्रावरणात जाते, जे टकरींच्या तपशीलवार सिम्युलेशन्सशी सुसंगत आहे. आघात करणाऱ्या वस्तूने थेट ओरबाडून नेलेला वायू अल्प असतो; धक्क्याची लाट सामान्यतः वातावरणाचा सुमारे 10 ते 20% भाग काढून टाकते. एकूणच, लेखकांना असे आढळते की ग्रहाची गुरुत्वीय पकड त्याचे प्रावरण जितके तापते त्यापेक्षा अधिक वाढते: टकरीनंतर वातावरण पूर्वीपेक्षा अधिक घट्ट धरले जाते.

शंभर दशलक्ष ग्रह

हे संपूर्ण लोकसंख्येवर तपासण्यासाठी, गटाने वस्तुमान, तापमान, धातूचे गाभे आणि वातावरणे यांच्या वास्तववादी वितरणांसह 100 दशलक्ष ग्रहांचे सिम्युलेशन केले. प्रत्येक सिम्युलेशन-फेरीत, वायूची तबकडी नाहीशी झाल्यानंतर प्रत्येक ग्रहाला महाकाय आघाताची, फेरीनुसार, 52, 63 किंवा 74% शक्यता असते — ही मूल्ये ग्रहनिर्मितीच्या सिम्युलेशन्समधून घेतलेली आहेत — आणि आघात करणारी वस्तू अंतिम वस्तुमानाच्या जास्तीत जास्त निम्मी असते. त्यानंतर मॉडेल 5 अब्ज वर्षांच्या कालावधीत वितळलेले प्रावरण थंड होत जाताना आणि वातावरण गळत जाताना त्यांचा मागोवा घेते.

तपासलेल्या प्रत्येक आघात-परिदृश्यासाठी, निकालात निरीक्षित दोन शिखरे पुन्हा मिळतात: सुमारे 1.3 आणि 2.4 पृथ्वी-त्रिज्यांवर, आणि 1.75 वर खळगा. दोन नियंत्रण-सिम्युलेशन्स याचे कारण दाखवतात. उशिराचे कोणतेही आघात नसतील, तर खूप जास्त ग्रह उघडे राहतात. प्रत्येक ग्रहावर आघात झाला, तर खूप जास्त ग्रह त्यांचा हायड्रोजन टिकवतात. टकरी ग्रहांना एका वस्तुमान-उंबरठ्यापलीकडे ढकलून समतोल साधतात; त्या उंबरठ्याच्या वर हायड्रोजन जागीच राहतो.

टक्कर जितकी मोठी, वातावरण तितके सुरक्षित

संपूर्ण वातावरण गमावण्याची शक्यता ग्रहाचे सुरुवातीचे वस्तुमान आणि आघात करणाऱ्या वस्तूचा वाटा वाढतो तशी घटते. केवळ 1% ग्रह सर्व काही गमावतात अशा आघातकर्त्याच्या वाट्यासाठी लेखक एक साधा वक्र जुळवतात: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794, जिथे χ म्हणजे आघातकर्त्याचे वस्तुमान भागिले अंतिम वस्तुमान आणि M म्हणजे पृथ्वी-वस्तुमानांमधील सुरुवातीचे वस्तुमान. 5 पृथ्वी-वस्तुमानांपासून सुरुवात करणाऱ्या ग्रहासाठी, याचा अर्थ अंतिम वस्तुमानाच्या सुमारे एक चतुर्थांश वस्तुमानाचा आघातकर्ता; वक्राच्या वर, ग्रह जवळजवळ नेहमीच त्यांचे आदिम वातावरण टिकवतात.

सब-नेपच्यूनचे अधिक जड अंतरंग

टकरी ग्रहांना त्यांचा हायड्रोजन टिकवण्यास मदत करत असतील, तर सब-नेपच्यून बहुधा अधिक टकरींमधून वाढले असावेत आणि त्यांच्यात सुपर-अर्थपेक्षा अधिक वजनदार खडकाळ अंतरंग असावे. मोजलेले ग्रह आधीच त्या दिशेने निर्देश करतात: सब-नेपच्यूनचे वस्तुमान सुमारे 4 ते 5 पृथ्वी-वस्तुमानांपेक्षा जास्त आहे, सुपर-अर्थचे कमी. ही कल्पना तपासू शकणाऱ्या उपकरणांची यादी लेखक देतात — मोठ्या ग्रहांच्या वातावरणात हायड्रोजन शोधणारे JWST, Ariel आणि Twinkle, त्यांचे वजन करणारे PLATO आणि JUST, आणि लहान, अधिक दूरच्या जगांपर्यंत पोहोचणारी Nancy Grace Roman अवकाश दुर्बीण.