ఒక భారీ ఢీ గ్రహపు వాతావరణాన్ని కాపాడగలదు
చిన్న బాహ్యగ్రహాల పరిమాణాలను కొలిస్తే అవి రెండు సమూహాలుగా విడిపోతాయి: ఒక శిఖరం భూమి వ్యాసార్ధానికి సుమారు 1.3 రెట్ల వద్ద, మరొకటి సుమారు 2.4 రెట్ల వద్ద, 1.75 వద్ద ఒక పల్లం. చిన్నవి నగ్నమైన రాతి గ్రహాలని భావిస్తారు — సూపర్-ఎర్త్‌లు. పెద్దవైన సబ్-నెప్ట్యూన్‌లు, హైడ్రోజన్ సమృద్ధిగా ఉన్న తమ ఆదిమ వాతావరణంలో ఇంకా చుట్టబడి ఉన్న రాతి గ్రహాలు అయి ఉంటాయి. కాబట్టి కొన్ని గ్రహాలు చాలా హైడ్రోజన్‌ను కోల్పోయి ఉండాలి. కానీ ఏవి, ఎలా?
ఎప్పటిలాగే అనుమానితుడు
భూమి పరిమాణం లేదా అంతకంటే పెద్దవైన రాతి గ్రహాలు తమ నిర్మాణం చివరలో ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ భారీ ఢీకొనడాలను ఎదుర్కొంటాయని భావిస్తారు; వాటిలో కొన్ని యువ నక్షత్రం చుట్టూ ఉన్న వాయు చక్రం చెదిరిపోయిన తర్వాత జరుగుతాయి. రెండు సమూహాలకు ఒక ప్రముఖ వివరణ ఆ చివరి ఢీకొనడాలను నిందిస్తుంది: ఆఘాతం గ్రహపు మాంటిల్‌ను వేడి చేస్తుంది, మండుతున్న ఉపరితలం వాయువు తప్పించుకునేలా చేస్తుంది, వాతావరణం ఉన్న గ్రహం సూపర్-ఎర్త్‌గా మారుతుంది.
షాంఘై జియావో టోంగ్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన డేరియస్ మోదిర్రౌస్తా-గాలియన్, యేల్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన జున్ కొరెనాగా, ఈ చిత్రం లెక్కలో సగాన్ని వదిలేస్తుందని వాదిస్తున్నారు. వారి అధ్యయనం Nature Astronomy పత్రికలో ప్రచురణకు ఆమోదం పొందింది.
లెక్కలోని మరో వైపు
ఢీకొనడం ఒక గ్రహాన్ని కేవలం వేడి చేయదు. అది ద్రవ్యరాశిని కూడా చేరుస్తుంది, ఆ ద్రవ్యరాశి అంతా వాతావరణాన్ని పట్టి ఉంచే గురుత్వాకర్షణ బావిని మరింత లోతుగా చేస్తుంది. ఇంతలో, ఢీకొనడపు శక్తిలో కొంత భాగం మాత్రమే నిజంగా మాంటిల్‌ను వేడెక్కిస్తుంది:
- ఢీకొనే వస్తువు లోహ కేంద్రకం మాంటిల్ గుండా దూసుకుపోతూ, దారిలో కొద్ది శక్తిని మాత్రమే వదిలి, ఇంకా అతిగా వేడెక్కిన స్థితిలోనే లోతుల్లో చేరుతుంది;
- కరుగుతున్న రాయి ఉష్ణోగ్రతను పెంచకుండా, గుప్తోష్ణంగా శక్తిని పీల్చుకుంటుంది;
- ఉపరితలాన్ని చేరే వేడి వాతావరణంలో పైభాగంలోనే అణిగిపోతుంది. పలాయనాన్ని నియంత్రించే పొరల్లో ఉష్ణోగ్రతను కింద ఉన్న వేడి నేల కాదు, నక్షత్రపు కాంతి నిర్ణయిస్తుంది.
లోహ కేంద్రకం తన ద్రవ్యరాశిలో 30% ఉన్న గ్రహానికి, ఢీకొనడపు శక్తిలో సుమారు 84% మాంటిల్‌లోకి వెళ్తుంది — వివరణాత్మక ఢీకొనడపు అనుకరణలకు అనుగుణంగా. ఢీకొనే వస్తువు నేరుగా చీల్చివేసే వాయువు కొద్దిదే; ఆఘాత తరంగం సాధారణంగా వాతావరణంలో సుమారు 10 నుంచి 20% తొలగిస్తుంది. మొత్తంమీద, గ్రహపు గురుత్వాకర్షణ పట్టు దాని మాంటిల్ వేడెక్కే దానికంటే ఎక్కువగా పెరుగుతుందని రచయితలు కనుగొన్నారు: ఢీ తర్వాత, వాతావరణం మునుపటి కంటే గట్టిగా పట్టి ఉంచబడుతుంది.
వంద మిలియన్ గ్రహాలు
మొత్తం జనాభాపై దీన్ని పరీక్షించడానికి, బృందం ద్రవ్యరాశులు, ఉష్ణోగ్రతలు, లోహ కేంద్రకాలు, వాతావరణాల వాస్తవిక వ్యాప్తులతో 100 మిలియన్ గ్రహాలను అనుకరించింది. ప్రతి అనుకరణ విడతలోనూ, వాయు చక్రం పోయిన తర్వాత ప్రతి గ్రహానికీ భారీ ఢీకొనడానికి, విడతను బట్టి, 52, 63 లేదా 74% అవకాశం ఉంది — ఈ విలువలు గ్రహ నిర్మాణ అనుకరణల నుంచి తీసుకున్నవి; ఢీకొనే వస్తువు తుది ద్రవ్యరాశిలో గరిష్ఠంగా సగం వరకు ఉంటుంది. ఆ తర్వాత నమూనా కరిగిన మాంటిల్ చల్లబడటాన్ని, వాతావరణం కారిపోవడాన్ని 5 బిలియన్ సంవత్సరాల పాటు అనుసరిస్తుంది.
పరీక్షించిన ప్రతి ఢీకొనడపు విధానానికీ, ఫలితం సుమారు 1.3, 2.4 భూ వ్యాసార్ధాల వద్ద గమనించిన రెండు శిఖరాలను, 1.75 వద్ద పల్లాన్ని పునరుత్పత్తి చేస్తుంది. రెండు నియంత్రణ అనుకరణలు ఎందుకో చూపిస్తాయి. చివరి ఢీకొనడాలు ఏవీ లేకపోతే, మరీ ఎక్కువ గ్రహాలు నగ్నంగా మిగులుతాయి. ప్రతి గ్రహానికీ ఒక ఢీ ఉంటే, మరీ ఎక్కువ గ్రహాలు తమ హైడ్రోజన్‌ను నిలుపుకుంటాయి. హైడ్రోజన్ నిలిచి ఉండే ఒక ద్రవ్యరాశి పరిమితిని దాటేలా గ్రహాలను నెట్టడం ద్వారా ఢీకొనడాలు సమతుల్యతను నిర్ణయిస్తాయి.
ఢీ ఎంత పెద్దదైతే, వాతావరణం అంత సురక్షితం
మొత్తం వాతావరణాన్ని కోల్పోయే అవకాశం గ్రహపు ప్రారంభ ద్రవ్యరాశి, ఢీకొనే వస్తువు వాటా పెరిగే కొద్దీ తగ్గుతుంది. కేవలం 1% గ్రహాలు మాత్రమే అంతా కోల్పోయే ఢీకొనే వస్తువు వాటాకు రచయితలు ఒక సరళమైన వక్రరేఖను సరిపోల్చారు: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794; ఇక్కడ χ అంటే ఢీకొనే వస్తువు ద్రవ్యరాశిని తుది ద్రవ్యరాశితో భాగించగా వచ్చేది, M అంటే భూ ద్రవ్యరాశులలో ప్రారంభ ద్రవ్యరాశి. 5 భూ ద్రవ్యరాశులతో ప్రారంభమయ్యే గ్రహానికి, అది తుది ద్రవ్యరాశిలో సుమారు నాలుగో వంతు ఉన్న ఢీకొనే వస్తువు; వక్రరేఖకు పైన, గ్రహాలు దాదాపు ఎల్లప్పుడూ తమ ఆదిమ వాతావరణాన్ని నిలుపుకుంటాయి.
సబ్-నెప్ట్యూన్‌లకు బరువైన హృదయాలు
ఢీకొనడాలు గ్రహాలు తమ హైడ్రోజన్‌ను నిలుపుకోవడానికి సహాయపడితే, సబ్-నెప్ట్యూన్‌లు బహుశా ఎక్కువ ఢీకొనడాల ద్వారా పెరిగి, సూపర్-ఎర్త్‌ల కంటే ఎక్కువ ద్రవ్యరాశి గల రాతి అంతర్భాగాలను కలిగి ఉంటాయి. కొలిచిన గ్రహాలు ఇప్పటికే ఆ దిశగానే సూచిస్తున్నాయి: సబ్-నెప్ట్యూన్‌లు సుమారు 4 నుంచి 5 భూ ద్రవ్యరాశుల కంటే ఎక్కువ బరువుంటాయి, సూపర్-ఎర్త్‌లు తక్కువ. ఈ ఆలోచనను పరీక్షించగల పరికరాలను రచయితలు జాబితా చేస్తున్నారు — పెద్ద గ్రహాల వాతావరణాల్లో హైడ్రోజన్ కోసం వెతికే JWST, Ariel, Twinkle; వాటిని తూచే PLATO, JUST; చిన్నవైన, మరింత దూరంలో ఉన్న ప్రపంచాలను అందుకునే నాన్సీ గ్రేస్ రోమన్ అంతరిక్ష టెలిస్కోపు.