బహుశా లేనే లేని మెగా-భూములు

గ్రహ నిర్మాణ సిద్ధాంతం శిలా ప్రపంచాలపై ఒక గరిష్ఠ పరిమితిని విధిస్తుంది. పెరుగుతున్న కేంద్రకం సుమారు 10 భూ ద్రవ్యరాశులను దాటితే, అది అదుపులేని వాయు సంచయనాన్ని (runaway gas accretion) తప్పించుకోలేదు: తన యువ నక్షత్రం చుట్టూ ఉన్న చక్రం నుంచి వాయువును లాక్కుని వాయు-సమృద్ధ గ్రహంగా మారుతుంది. ఢీకొనడాలు, క్రమక్షయం యొక్క అనుకరణలు కూడా అదే పరిమితిని ఇస్తాయి. నిజమైన గ్రహాల కొలతలు నగ్న శిల నుంచి వాయువుతో చుట్టబడిన ప్రపంచాలకు మార్పును ఇంకా తక్కువగా, సుమారు 4 నుంచి 5 భూ ద్రవ్యరాశుల వద్ద ఉంచుతాయి.

అయినప్పటికీ, ఇటీవలి సంవత్సరాల్లో, శిల సాంద్రత ఉండి, పది భూముల కంటే చాలా ఎక్కువ ద్రవ్యరాశి ఉన్న కొన్ని గ్రహాలు బయటపడ్డాయి. కొందరు ఖగోళ శాస్త్రవేత్తలు వాటిని “మెగా-భూములు” అంటారు. వాటిని వివరించడానికి విచిత్రమైన చరిత్రలు అవసరమవుతాయి: వాయు చక్రం మాయమైన తర్వాత జరిగిన ఆలస్యపు ఢీకొనడాలు, లేదా ఒకప్పటి భారీ గ్రహాల ఒలిచివేయబడిన కేంద్రకాలు.

మాంట్రియల్‌లోని మెక్‌గిల్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన ట్రాటియర్ అంతరిక్ష సంస్థకు చెందిన కేసీ బ్రింక్‌మన్ (Casey Brinkman), నికోలస్ కోవన్ (Nicolas Cowan) ఒక సరళమైన ప్రశ్న అడిగారు: ఈ గ్రహాలు నిజంగా అంత బరువుగా ఉన్నాయా?

నక్షత్రం ఊగడం ద్వారా గ్రహాన్ని తూకం వేయడం

ఈ ద్రవ్యరాశుల్లో చాలావరకు వ్యాసార్ధ వేగాల (radial velocities) నుంచి వస్తాయి: గ్రహం కక్ష్యలో తిరుగుతున్నప్పుడు, అది తన నక్షత్రాన్ని ముందుకూ వెనక్కూ లాగుతుంది, నక్షత్ర కాంతి రంగు అతి కొద్దిగా మారుతుంది. ఆ ఊగడం యొక్క పరిమాణం గ్రహ ద్రవ్యరాశిని ఇస్తుంది.

సమస్య ఏమిటంటే నక్షత్రాలు ప్రశాంతంగా ఉండవు. అయస్కాంతపరంగా చురుకైన నక్షత్రాలు నక్షత్రంతో పాటు తిరిగే చీకటి మచ్చలు, ప్రకాశవంతమైన పాచెస్‌ను కలిగి ఉంటాయి. అవి కొలతలకు శబ్దాన్ని (noise) జోడిస్తాయి, తిరుగుతూ కనిపించే మచ్చ ఒక గ్రహ సంకేతాన్ని అనుకరించగలదు — లేదా పెంచగలదు.

ఎనిమిది అనుమానితులు, ఒక ఉమ్మడి లక్షణం

ఈ జంట NASA ఎక్సోప్లానెట్ ఆర్కైవ్ నుంచి మొదలుపెట్టి, నాలుగు భూ వ్యాసార్ధాల కంటే చిన్నవి, నమ్మదగిన వ్యాసార్ధం, వ్యాసార్ధ-వేగ ద్రవ్యరాశి ఉన్న 333 గ్రహాలను ఉంచుకుంది. వారు కనుగొన్నది:

• శిలా సాంద్రత, 10 కంటే ఎక్కువ భూ ద్రవ్యరాశులు ఉన్న 4 గ్రహాలు: WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c, HD 63433 b.
• పరిమితి కంటే ఎక్కువ ఉండి, హైడ్రోజన్-హీలియం కవచం దాదాపు లేని మరో 4: GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b, GJ 143 b.

ప్రతి ఆతిథేయ నక్షత్రం యొక్క చురుకుదనాన్ని కొలవడానికి, వారు నక్షత్రం యొక్క వేడి బాహ్య పొర విడుదల చేసే కాల్షియం కాంతిపై ఆధారపడిన ఒక సూచికను ఉపయోగించారు, ఇది అయస్కాంత తాపనంతో ప్రకాశవంతమవుతుంది. −4.75 విలువ కంటే ఎక్కువ ఉంటే, నక్షత్రాన్ని చురుకైనదిగా పరిగణిస్తారు. TESS మిషన్ ప్రకాశ కొలతలు కూడా ప్రతి నక్షత్రం దాని మచ్చలు తిరిగే కొద్దీ మసకబారుతూ, ప్రకాశిస్తూ ఉండడాన్ని చూపిస్తాయి.

ఫలితం: ఎనిమిదీ చురుకైన నక్షత్రాల చుట్టూ తిరుగుతాయి. గ్రహ ద్రవ్యరాశి, చురుకుదనం కొలత రెండూ ఉన్న 37 నక్షత్రాల్లో 13 మాత్రమే చురుకైనవి.

యాదృచ్ఛికత యొక్క అవకాశం

మెగా-భూములు సమానంగా విస్తరించి ఉంటే, నాలుగు శిలా గ్రహాలూ చురుకైన నక్షత్రాల చుట్టూనే ఉండే అవకాశం ఇలా ఉంటుంది:

p = 13/37 × 12/36 × 11/35 × 10/34 = 0.01

సుమారు 1%. మిగిలిన నాలుగింటినీ కలిపితే, అది 0.0003కి పడిపోతుంది.

యువ, చురుకైన నక్షత్రాలు మెగా-భూములను తయారు చేయడంలో కేవలం మెరుగ్గా ఉండవచ్చా? రచయితలకు దానికి ఏ కారణమూ కనిపించదు. ఒకదాన్ని నిర్మించడానికి అదనపు ఢీకొనడాలు, 0.8 నుంచి 20 రోజుల కక్ష్యల వరకు లోపలికి వలస, బహుశా ఒక దట్టమైన వాతావరణాన్ని ఒలిచివేయడం అవసరం — వీటన్నింటికీ సమయం పడుతుంది. ఏదైనా ఉంటే, ఈ ప్రపంచాలు పాత నక్షత్రాలకు మొగ్గు చూపాలి.

ద్రవ్యరాశులు ఎక్కడ తప్పుతాయి

ప్రతి అసలు కొలత గాసియన్ ప్రక్రియలను (Gaussian processes) ఉపయోగించింది, ఇది గ్రహ సంకేతాన్ని వేరు చేయగలిగేలా నక్షత్ర శబ్దాన్ని నమూనా చేసే ఒక గణాంక సాధనం. కానీ మితిమీరిన వశ్యత ఉన్న నమూనా తప్పుడు సంకేతాన్ని గ్రహించి, మరీ పెద్ద ద్రవ్యరాశులను ఇవ్వగలదు. ఈ సందర్భాలు పెళుసుగా కనిపిస్తాయి:

• WASP-84 చుట్టూ, నక్షత్ర కంపనం (సుమారు 13 m/s) గ్రహ సంకేతం (7.7 m/s) కంటే పెద్దది.
• TOI-2322 21.28 రోజుల్లో తన చుట్టూ తాను తిరుగుతుంది; దాని గ్రహం 20.23 రోజుల్లో కక్ష్యలో తిరుగుతుంది.
• 37 భూ ద్రవ్యరాశులతో అత్యంత బరువైన HD 63433 bని రెండవ బృందం అసలు గుర్తించనే లేదు, ఆ బృందం 21 భూ ద్రవ్యరాశుల గరిష్ఠ పరిమితిని నిర్ణయించింది.
• మూడు గ్రహాలు ప్రచురితమైన ఒక సంకేత-శబ్ద నిష్పత్తి పరిమితి కంటే కిందకు వస్తాయి, దాని కింద అలాంటి నమూనాలు నమ్మదగనివని తెలుసు.

రచయితలు ఒక పూర్వ ఉదాహరణను గుర్తు చేస్తారు: చికిత్స చేయని ఒక ఆవర్తన సంకేతం వల్ల ద్రవ్యరాశి మూడు రెట్లు పెంచబడినట్లు తేలిన మరో గ్రహం.

శిలా దిగ్గజాలు లేవు — ప్రస్తుతానికి

వారి నిర్ధారణ: పది భూ ద్రవ్యరాశుల కంటే ఎక్కువ ఉన్న శిలా గ్రహాలకు బలమైన ఆధారం లేదు. చురుకైన నక్షత్రాల చుట్టూ ఉన్న గ్రహాల వ్యాసార్ధ-వేగ ద్రవ్యరాశులను సందేహంతో చూడాలి, “ముఖ్యంగా అలాంటి గ్రహాల ఉనికి గ్రహ నిర్మాణం గురించిన మన భావనలను సవాలు చేసే సందర్భంలో.” నక్షత్ర చురుకుదనం, గ్రహం రెండూ బాగా నమూనా చేయబడేలా పరిశీలనల సమయాన్ని నిర్ణయించాలని వారు సూచిస్తారు.

ఈ వాదన గణాంకపరమైనది, ఒక చిన్న నమూనాపై ఆధారపడి ఉంది: ఎనిమిది గ్రహాలు, 37 నక్షత్రాలు. రచయితలు అసలు ద్రవ్యరాశి సరిపోలికలను మళ్లీ చేయలేదు.