The Knowledge Frontier

Anga na falakiImehakikiwa na wataalamuUigajiDakika 3 za kusoma

MGONGANO MKUBWA UNAWEZA KUOKOA ANGAHEWA YA SAYARI

Pima ukubwa wa sayari ndogo zilizo nje ya mfumo wa jua na zinagawanyika katika makundi mawili: kilele kimoja katika takriban mara 1.3 ya nusukipenyo cha Dunia, kingine katika takriban mara 2.4, na bonde katika 1.75. Ndogo zinadhaniwa kuwa sayari tupu za miamba — Dunia-kuu (super-Earths). Kubwa, Neptuni-ndogo (sub-Neptunes), zingekuwa sayari za miamba ambazo bado zimefunikwa na angahewa yao ya awali, yenye hidrojeni nyingi. Kwa hiyo baadhi ya sayari lazima zilipoteza hidrojeni nyingi. Lakini zipi, na kwa namna gani?

Mshukiwa wa kawaida

Sayari za miamba za ukubwa wa Dunia au zaidi zinatarajiwa kupata mgongano mkubwa mmoja au zaidi mwishoni mwa uundaji wao, baadhi yake baada ya diski ya gesi inayozunguka nyota changa kutawanyika. Maelezo maarufu ya makundi hayo mawili yanalaumu migongano hiyo ya kuchelewa: mshtuko hupasha joto vazi la sayari, uso unaounguza husukuma gesi kutoroka, na sayari yenye angahewa hugeuka kuwa Dunia-kuu.

Darius Modirrousta-Galian, wa Chuo Kikuu cha Shanghai Jiao Tong, na Jun Korenaga, wa Chuo Kikuu cha Yale, wanahoji kwamba picha hii inaacha nusu ya hesabu. Utafiti wao umekubaliwa katika jarida la Nature Astronomy.

Upande mwingine wa hesabu

Mgongano haupashi tu joto sayari. Pia huongeza uzito, na uzito huo wote huongeza kina cha shimo la mvutano linaloshikilia angahewa. Wakati huohuo, ni sehemu tu ya nishati ya mgongano inayopasha joto vazi kwa kweli:

  • kiini cha metali cha kitu kinachogonga hutumbukia kupitia vazi, kikiachilia nishati kidogo njiani, na huishia ndani kabisa, bado kikiwa na joto kupita kiasi;
  • miamba inayoyeyuka hufyonza nishati kama joto fiche, bila kuongeza halijoto;
  • joto linalofika usoni hufifishwa juu kabisa ya angahewa. Halijoto katika matabaka yanayodhibiti kutoroka huamuliwa na mwanga wa nyota, si na ardhi yenye joto iliyo chini.

Kwa sayari ambayo kiini chake cha metali ni 30% ya uzito wake, takriban 84% ya nishati ya mgongano huingia kwenye vazi, sambamba na uigaji wa kina wa migongano. Gesi inayoraruliwa moja kwa moja na kitu kinachogonga ni kidogo; wimbi la mshtuko kwa kawaida huondoa takriban 10 hadi 20% ya angahewa. Kwa ujumla, waandishi wanagundua, mshiko wa mvutano wa sayari huongezeka zaidi kuliko vazi lake linavyopata joto: baada ya mgongano, angahewa hushikiliwa kwa nguvu zaidi kuliko awali.

Sayari milioni mia moja

Ili kujaribu hili kwa kundi zima, timu iliiga sayari milioni 100 zenye mtawanyiko halisi wa uzito, halijoto, viini vya metali na angahewa. Katika kila mzunguko wa uigaji, kila sayari ina uwezekano wa 52, 63 au 74%, kutegemea mzunguko, wa kupata mgongano mkubwa baada ya diski ya gesi kutoweka — thamani zilizochukuliwa kutoka kwa uigaji wa uundaji wa sayari — na kitu kinachogonga chenye hadi nusu ya uzito wa mwisho. Kisha kielelezo hufuatilia vazi lililoyeyuka linapopoa na angahewa inapovuja, kwa miaka bilioni 5.

Matokeo yanazalisha upya vilele viwili vilivyoonekana, katika takriban nusukipenyo 1.3 na 2.4 za Dunia na bonde katika 1.75, kwa kila mpangilio wa migongano uliojaribiwa. Majaribio mawili ya udhibiti yanaonyesha sababu. Bila migongano yoyote ya kuchelewa, sayari nyingi mno huishia tupu. Kwa mgongano kwa kila sayari, nyingi mno hudumisha hidrojeni yao. Migongano huweka uwiano kwa kusukuma sayari kuvuka kizingiti cha uzito ambacho juu yake hidrojeni hubaki palepale.

Kadiri mgongano unavyokuwa mkubwa, ndivyo angahewa inavyokuwa salama zaidi

Uwezekano wa kupoteza angahewa yote hupungua kadiri uzito wa awali wa sayari na sehemu ya kitu kinachogonga zinavyoongezeka. Waandishi wanarekebisha mkunjo rahisi kwa sehemu ya kitu kinachogonga ambapo ni 1% tu ya sayari hupoteza kila kitu: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794, ambapo χ ni uzito wa kitu kinachogonga ukigawanywa kwa uzito wa mwisho na M ni uzito wa awali kwa vipimo vya uzito wa Dunia. Kwa sayari inayoanza na uzito wa Dunia 5, hiyo ni kitu kinachogonga chenye takriban robo ya uzito wa mwisho; juu ya mkunjo, sayari karibu daima hudumisha angahewa yao ya awali.

Mioyo mizito zaidi kwa Neptuni-ndogo

Ikiwa migongano husaidia sayari kudumisha hidrojeni yao, basi Neptuni-ndogo huenda zilikua kupitia migongano mingi zaidi na zina sehemu za ndani za miamba zenye uzito mkubwa zaidi kuliko Dunia-kuu. Sayari zilizopimwa tayari zinaelekeza upande huo: Neptuni-ndogo zina uzito wa zaidi ya takriban uzito wa Dunia 4 hadi 5, Dunia-kuu chini ya hapo. Waandishi wanaorodhesha vyombo vinavyoweza kujaribu wazo hilo — JWST, Ariel na Twinkle zikitafuta hidrojeni katika angahewa za sayari kubwa zaidi, PLATO na JUST zikizipima uzito, na Nancy Grace Roman Space Telescope ikifikia dunia ndogo zaidi, zilizo mbali zaidi.