DEV BİR ÇARPIŞMA BİR GEZEGENİN ATMOSFERİNİ KURTARABİLİR

Küçük ötegezegenlerin boyutlarını ölçün, iki gruba ayrılırlar: biri Dünya yarıçapının yaklaşık 1,3 katında, öteki yaklaşık 2,4 katında bir tepe; arada 1,75’te bir çukur. Küçüklerin çıplak kayalık gezegenler — süper-Dünyalar — olduğu düşünülüyor. Büyükler, yani alt-Neptünler (sub-Neptunes), hâlâ hidrojence zengin ilkel atmosferlerine sarılı kayalık gezegenler olurdu. Demek ki bazı gezegenler çok miktarda hidrojen kaybetmiş olmalı. Ama hangileri ve nasıl?

Her zamanki şüpheli

Dünya boyutunda ya da daha büyük kayalık gezegenlerin, oluşumlarının sonunda bir ya da daha fazla dev çarpışma yaşaması bekleniyor; bunların bazıları genç yıldızın çevresindeki gaz diski dağıldıktan sonra. İki grup için yaygın bir açıklama, suçu bu geç çarpışmalara yüklüyor: şok gezegenin mantosunu ısıtır, kavurucu yüzey gazı kaçmaya zorlar ve atmosferli bir gezegen bir süper-Dünya’ya dönüşür.

Şanghay Jiao Tong Üniversitesi’nden Darius Modirrousta-Galian ve Yale Üniversitesi’nden Jun Korenaga, bu tablonun hesabın yarısını dışarıda bıraktığını savunuyor. Çalışmaları Nature Astronomy dergisinde yayımlanmak üzere kabul edildi.

Hesabın öteki tarafı

Bir çarpışma bir gezegeni yalnızca ısıtmaz. Aynı zamanda kütle ekler ve bu kütlenin tamamı, atmosferi tutan kütleçekim kuyusunu derinleştirir. Bu arada çarpma enerjisinin yalnızca bir kısmı gerçekten mantoyu ısıtır:

• çarpan cismin metal çekirdeği mantonun içine dalar, yol boyunca az enerji bırakır ve hâlâ aşırı ısınmış hâlde derinlerde son bulur;
• eriyen kaya enerjiyi, sıcaklığı yükseltmeden, gizli ısı olarak emer;
• yüzeye ulaşan ısı atmosferin yükseklerinde sönümlenir. Kaçışı denetleyen katmanlardaki sıcaklığı alttaki sıcak zemin değil, yıldızın ışığı belirler.

Metal çekirdeği kütlesinin %30’unu oluşturan bir gezegen için çarpma enerjisinin yaklaşık %84’ü mantoya gider; bu, ayrıntılı çarpışma simülasyonlarıyla uyumlu. Çarpan cismin doğrudan kopardığı gaz az; şok dalgası tipik olarak atmosferin yaklaşık %10 ila %20’sini söküp alıyor. Yazarlara göre genel olarak gezegenin kütleçekimsel kavrayışı, mantosunun ısınmasından daha fazla artıyor: çarpışmadan sonra atmosfer öncekinden daha sıkı tutuluyor.

Yüz milyon gezegen

Bunu bütün bir popülasyon üzerinde sınamak için ekip, gerçekçi kütle, sıcaklık, metal çekirdek ve atmosfer dağılımlarına sahip 100 milyon gezegeni simüle etti. Her çalıştırmada her gezegenin, gaz diski ortadan kalktıktan sonra, son kütlenin yarısına kadar varan bir çarpan cisimle dev bir çarpışma yaşama olasılığı, çalıştırmaya göre %52, %63 ya da %74 — bu değerler gezegen oluşumu simülasyonlarından alınmış. Model ardından erimiş mantonun soğumasını ve atmosferin sızmasını 5 milyar yıl boyunca izliyor.

Sonuç, test edilen her çarpışma reçetesi için, gözlenen iki tepeyi yaklaşık 1,3 ve 2,4 Dünya yarıçapında, 1,75’te bir çukurla birlikte yeniden üretiyor. İki kontrol çalıştırması nedenini gösteriyor. Hiç geç çarpışma olmadığında çok fazla gezegen çıplak kalıyor. Her gezegen bir çarpışma yaşadığında ise çok fazlası hidrojenini koruyor. Çarpışmalar, gezegenleri üzerinde hidrojenin yerinde kaldığı bir kütle eşiğinin ötesine iterek dengeyi kuruyor.

Çarpışma ne kadar büyükse atmosfer o kadar güvende

Tüm atmosferi kaybetme olasılığı gezegenin başlangıç kütlesi ve çarpan cismin payı büyüdükçe düşüyor. Yazarlar, gezegenlerin yalnızca %1’inin her şeyini kaybettiği çarpan cisim payı için basit bir eğri uyduruyor: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794; burada χ çarpan cismin kütlesinin son kütleye bölümü, M ise Dünya kütlesi cinsinden başlangıç kütlesi. 5 Dünya kütlesiyle başlayan bir gezegen için bu, son kütlenin yaklaşık dörtte biri kadar bir çarpan cisim demek; eğrinin üzerinde gezegenler ilkel atmosferlerini neredeyse her zaman koruyor.

Alt-Neptünler için daha ağır kalpler

Çarpışmalar gezegenlerin hidrojenlerini korumasına yardım ediyorsa, alt-Neptünler muhtemelen daha fazla çarpışmayla büyüdü ve süper-Dünyalardan daha kütleli kayalık iç yapılar barındırıyor. Ölçülen gezegenler zaten bu yönü gösteriyor: alt-Neptünler yaklaşık 4 ila 5 Dünya kütlesinden ağır, süper-Dünyalar daha hafif. Yazarlar bu fikri sınayabilecek araçları sıralıyor — daha büyük gezegenlerin atmosferlerinde hidrojen arayan JWST, Ariel ve Twinkle; onları tartan PLATO ve JUST; daha küçük, daha uzak dünyalara ulaşan Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu.