ஒரு மாபெரும் மோதல் ஒரு கோளின் வளிமண்டலத்தைக் காப்பாற்றக்கூடும்

சிறிய புறக்கோள்களின் அளவுகளை அளந்தால், அவை இரண்டு குழுக்களாகப் பிரிகின்றன: பூமியின் ஆரத்தைப் போல சுமார் 1.3 மடங்கில் ஓர் உச்சம், சுமார் 2.4 மடங்கில் மற்றொன்று, 1.75-இல் ஒரு பள்ளம். சிறியவை வெற்றுப் பாறைக் கோள்கள் என்று கருதப்படுகிறது — மீ-பூமிகள் (super-Earths). பெரியவை, துணை-நெப்டியூன்கள் (sub-Neptunes), ஹைட்ரஜன் நிறைந்த தம் ஆதி வளிமண்டலத்தில் இன்னும் போர்த்தப்பட்டுள்ள பாறைக் கோள்களாக இருக்கும். எனவே சில கோள்கள் பெருமளவு ஹைட்ரஜனை இழந்திருக்க வேண்டும். ஆனால் எவை, எப்படி?

வழக்கமான சந்தேக நபர்

பூமியின் அளவிலோ அதைவிடப் பெரியதாகவோ உள்ள பாறைக் கோள்கள், தம் உருவாக்கத்தின் இறுதியில் ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட மாபெரும் மோதல்களுக்கு உள்ளாகும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது; அவற்றில் சில, இளம் விண்மீனைச் சுற்றியுள்ள வாயு வட்டு கலைந்த பிறகு நிகழ்கின்றன. இரண்டு குழுக்களுக்கான ஒரு பரவலான விளக்கம், தாமதமாக நிகழும் அந்த மோதல்களைக் குற்றம் சாட்டுகிறது: அதிர்ச்சி கோளின் மேன்டிலைச் (mantle) சூடாக்குகிறது, கொதிக்கும் மேற்பரப்பு வாயுவைத் தப்பியோடச் செய்கிறது, வளிமண்டலம் கொண்ட ஒரு கோள் மீ-பூமியாக மாறுகிறது.

ஷாங்காய் ஜியாவ் டோங் பல்கலைக்கழகத்தைச் (Shanghai Jiao Tong University) சேர்ந்த Darius Modirrousta-Galian-உம், யேல் பல்கலைக்கழகத்தைச் (Yale University) சேர்ந்த Jun Korenaga-வும், இந்தச் சித்திரம் கணக்கேட்டின் பாதியை விட்டுவிடுகிறது என்று வாதிடுகின்றனர். அவர்களின் ஆய்வு Nature Astronomy இதழில் வெளியிட ஏற்கப்பட்டுள்ளது.

கணக்கேட்டின் மறுபக்கம்

ஒரு மோதல் கோளைச் சூடாக்குவது மட்டுமல்ல. அது நிறையையும் சேர்க்கிறது; அந்த நிறை முழுவதும், வளிமண்டலத்தைப் பிடித்து வைத்திருக்கும் ஈர்ப்புக் கிணற்றை ஆழமாக்குகிறது. இதற்கிடையில், மோதல் ஆற்றலின் ஒரு பகுதி மட்டுமே உண்மையில் மேன்டிலைச் சூடாக்குகிறது:

• மோதும் உடலின் உலோக உள்ளகம் மேன்டிலின் ஊடாகப் பாய்ந்து இறங்குகிறது, வழியில் சிறிதளவு ஆற்றலையே விட்டுக்கொடுக்கிறது, இன்னும் மிகையாகச் சூடான நிலையில் ஆழத்தில் சென்று அமர்கிறது;
• உருகும் பாறை, வெப்பநிலையை உயர்த்தாமல், உள்ளுறை வெப்பமாக (latent heat) ஆற்றலை உறிஞ்சுகிறது;
• மேற்பரப்பை அடையும் வெப்பம் வளிமண்டலத்தின் உயரத்திலேயே தணிக்கப்படுகிறது. தப்பியோடுதலைக் கட்டுப்படுத்தும் அடுக்குகளில் உள்ள வெப்பநிலையை விண்மீனின் ஒளியே தீர்மானிக்கிறது, கீழே உள்ள சூடான தரை அல்ல.

உலோக உள்ளகம் தன் நிறையில் 30% ஆக உள்ள ஒரு கோளுக்கு, மோதல் ஆற்றலில் சுமார் 84% மேன்டிலுக்குச் செல்கிறது; இது விரிவான மோதல் உருவகப்படுத்துதல்களுடன் ஒத்துப்போகிறது. மோதும் உடலால் நேரடியாகப் பிய்த்தெறியப்படும் வாயுவின் அளவு சிறியது; அதிர்ச்சி அலை பொதுவாக வளிமண்டலத்தில் சுமார் 10 முதல் 20% வரை நீக்குகிறது. ஒட்டுமொத்தமாக, கோளின் மேன்டில் சூடாவதை விட அதன் ஈர்ப்புப் பிடி அதிகமாக வளர்கிறது என்று ஆசிரியர்கள் கண்டறிகின்றனர்: மோதலுக்குப் பிறகு, வளிமண்டலம் முன்பை விட இறுக்கமாகப் பிடிக்கப்படுகிறது.

நூறு மில்லியன் கோள்கள்

இதை ஒரு முழுக் கோள் தொகுதியின் (population) மீது சோதிக்க, குழுவினர் நிறைகள், வெப்பநிலைகள், உலோக உள்ளகங்கள், வளிமண்டலங்கள் ஆகியவற்றின் யதார்த்தமான பரவல்களுடன் 100 மில்லியன் கோள்களை உருவகப்படுத்தினர். ஒவ்வோர் ஓட்டத்திலும் (run), வாயு வட்டு மறைந்த பிறகு ஒவ்வொரு கோளுக்கும் ஒரு மாபெரும் மோதலுக்கான வாய்ப்பு, ஓட்டத்தைப் பொறுத்து, 52, 63 அல்லது 74% (கோள் உருவாக்கம் பற்றிய உருவகப்படுத்துதல்களிலிருந்து எடுக்கப்பட்ட மதிப்புகள்); மோதும் உடல் இறுதி நிறையில் பாதி வரை இருக்கலாம். பின்னர் மாதிரி, 5 பில்லியன் ஆண்டுகள் நெடுகிலும், உருகிய மேன்டில் குளிர்வதையும் வளிமண்டலம் கசிவதையும் பின்தொடர்கிறது.

முடிவு, கவனிக்கப்பட்ட இரண்டு உச்சங்களையும் — சுமார் 1.3, 2.4 பூமி ஆரங்களில், 1.75-இல் ஒரு பள்ளத்துடன் — சோதிக்கப்பட்ட ஒவ்வொரு மோதல் செய்முறைக்கும் மீண்டும் உருவாக்குகிறது. இரண்டு கட்டுப்பாட்டு ஓட்டங்கள் (control runs) ஏன் என்பதைக் காட்டுகின்றன. தாமதமான மோதல்களே இல்லாவிட்டால், மிக அதிகமான கோள்கள் வெறுமையாக முடிகின்றன. ஒவ்வொரு கோளுக்கும் ஒரு மோதல் இருந்தால், மிக அதிகமானவை தம் ஹைட்ரஜனைத் தக்கவைக்கின்றன. ஹைட்ரஜன் அசையாமல் தங்கும் ஒரு நிறை வரம்பைக் கடந்து கோள்களைத் தள்ளுவதன் மூலம், மோதல்கள் சமநிலையை அமைக்கின்றன.

பெரிய மோதல், பாதுகாப்பான வளிமண்டலம்

முழு வளிமண்டலத்தையும் இழப்பதற்கான வாய்ப்பு, கோளின் தொடக்க நிறையும் மோதும் உடலின் பங்கும் வளர வளரக் குறைகிறது. கோள்களில் 1% மட்டுமே எல்லாவற்றையும் இழக்கும் மோதும் உடல் பங்குக்கு, ஆசிரியர்கள் ஓர் எளிய வளைவைப் பொருத்துகின்றனர்: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794; இங்கு χ என்பது மோதும் உடலின் நிறையை இறுதி நிறையால் வகுத்தது, M என்பது பூமி நிறைகளில் தொடக்க நிறை. 5 பூமி நிறைகளில் தொடங்கும் ஒரு கோளுக்கு, அது இறுதி நிறையில் சுமார் கால் பங்கு கொண்ட மோதும் உடல்; வளைவுக்கு மேலே, கோள்கள் கிட்டத்தட்ட எப்போதும் தம் ஆதி வளிமண்டலத்தைத் தக்கவைக்கின்றன.

துணை-நெப்டியூன்களுக்குக் கனமான இதயங்கள்

மோதல்கள் கோள்கள் தம் ஹைட்ரஜனைத் தக்கவைக்க உதவுமானால், துணை-நெப்டியூன்கள் அதிக மோதல்களின் ஊடாக வளர்ந்து, மீ-பூமிகளை விட அதிக நிறையுள்ள பாறை உட்பகுதிகளைக் கொண்டிருக்கக்கூடும். அளக்கப்பட்ட கோள்கள் ஏற்கெனவே அந்தத் திசையைச் சுட்டுகின்றன: துணை-நெப்டியூன்கள் சுமார் 4 முதல் 5 பூமி நிறைகளுக்கு மேல் எடை கொண்டவை, மீ-பூமிகள் அதற்குக் குறைவாக. இந்தக் கருத்தைச் சோதிக்கக்கூடிய கருவிகளை ஆசிரியர்கள் பட்டியலிடுகின்றனர் — பெரிய கோள்களின் வளிமண்டலங்களில் ஹைட்ரஜனைத் தேடும் JWST, Ariel, Twinkle; அவற்றை எடைபோடும் PLATO, JUST; சிறிய, அதிகத் தொலைவிலுள்ள உலகங்களை எட்டும் Nancy Grace Roman விண்வெளித் தொலைநோக்கி.