Ay'ın doğumunu çarpışan gezegenlerin sıcaklığı belirlemiş olabilir

Ay'ın kökenini anlatan en yaygın senaryo, yaklaşık 4,5 milyar yıl önce genç Dünya'ya Mars büyüklüğünde bir cismin, Theia'nın çarptığını söyler. Ancak bu çarpışmanın ayrıntıları, kullanılan bilgisayar modeline göre şaşırtıcı ölçüde değişiyor. Southwest Research Institute (SwRI) ve Arizona Üniversitesi'nden araştırmacıların The Astrophysical Journal Letters'ta yayımlanan yeni çalışması, şimdiye dek çoğu modelin dışarıda bıraktığı bir değişkeni denkleme ekledi: çarpışan cisimlerin malzeme dayanımı ve buna yön veren sıcaklık. Sonuç, aynı çarpışmanın iki cismin ne kadar sıcak olduğuna bağlı olarak çok farklı uydular doğurabileceği yönünde.

Akışkan varsayımı neden sorgulanıyor?

Dev çarpışma modelleri yıllardır gezegenleri bir tür sıvı gibi ele aldı. Mantık basitti: Çarpışmanın enerjisi o kadar büyük ki kayanın sertliği, kırılma direnci gibi özellikler önemsizleşir. Robin Canup ile Erik Asphaug'un 2001'de Nature'da yayımladığı ve Ay'ın Dünya'nın oluşumunun son evresindeki bir çarpışmadan doğduğunu gösteren etkili çalışma da bu yaklaşımı kullanıyordu. O tarihten bu yana yapılan simülasyonların büyük bölümü, çarpışma açısı, hızı ve iki cismin kütle oranı gibi parametreleri değiştirerek Dünya-Ay sisteminin bugünkü açısal momentumunu ve Ay'ın küçük demir çekirdeğini açıklamaya çalıştı. Ancak çarpışan kayaların ne kadar sert ya da yumuşak olduğu, hesapların dışında kalmaya devam etti.

Yeni çalışmada ekip, düzleştirilmiş parçacık hidrodinamiği (SPH) adı verilen ve gezegeni milyonlarca etkileşen parçacıkla temsil eden yönteme, sıcaklığa duyarlı bir kaya dayanımı modeli ekledi. Böylece soğuk ve sert bir manto ile sıcak, yumuşamış bir manto çarpışma sırasında farklı davranabildi. Çalışmanın ortak yazarlarından Asphaug, çarpışmanın şiddeti nedeniyle gezegenleri akışkan gibi modellemenin yeterli sayıldığını, yeni sonuçların ise bu varsayımın yeniden gözden geçirilmesini gerektirdiğini belirtiyor.

Soğuk gezegen disk, sıcak gezegen tek parça Ay

Simülasyonlar iki belirgin yol ortaya koydu. Çarpışan cisimler görece soğuk ve dolayısıyla sertse, çarpışmanın ardından Dünya'nın çevresinde geniş bir enkaz diski, yani "protolunar disk" oluşuyor. Ay bu durumda diskteki malzemenin zamanla bir araya gelmesiyle yavaş yavaş büyüyor. Cisimler sıcak ve yumuşaksa tablo değişiyor: Fırlatılan malzeme dağılmadan bir arada kalıyor ve bütünlüklü bir uydu çok hızlı biçimde şekilleniyor. Bir senaryoda tam bir Ay'ın çarpışmadan yalnızca beş saat kadar sonra ortaya çıktığı görüldü.

Çalışmayı yürüten ekipten eski doktora sonrası araştırmacı Adeene Denton, Theia'nın çarpışmadan önceki jeolojik yapısının Ay'ın doğuşunu etkilediğini vurguluyor. Bu, çarpışma modellemesinde uzun süre göz ardı edilen bir faktörün sonucu doğrudan değiştirebildiği anlamına geliyor.

Zamanlama ile bağlantı

Bulgunun bir başka ilginç yanı, Ay'ın oluşum biçimini çarpışmanın zamanlamasına bağlaması. Genç ön gezegenler oluştuktan sonra zamanla soğuyup katılaşıyor. Çarpışma, gezegenler henüz çok sıcakken gerçekleştiyse tek parça ve hızlı bir doğum; daha geç ve cisimler soğumuşken olduysa diskten yavaş bir birikim daha olası hâle geliyor. Bu da Ay'ın yaşına dair ölçümlerle oluşum mekanizması arasında yeni bir köprü kuruyor.

Hızlı oluşum fikri tamamen yeni değil. Durham Üniversitesi'nden Jacob Kegerreis ve meslektaşları 2022'de çok yüksek çözünürlüklü simülasyonlarla, Ay benzeri bir uydunun çarpışmadan saatler sonra doğrudan yörüngeye yerleşebileceğini göstermişti. SwRI ve Arizona ekibinin katkısı, bu tür sonuçların hangi fiziksel koşullara bağlı olduğunu, yani malzeme dayanımı ve sıcaklığın rolünü açıkça ortaya koyması.

Neden önemli?

Ay'ın kökeni, Güneş Sistemi biliminin en çok tartışılan sorularından biri olmayı sürdürüyor. Apollo görevlerinin getirdiği örnekler, Ay kayalarının oksijen ve titanyum gibi elementlerin izotop oranlarında Dünya'yla neredeyse ikiz olduğunu gösterdi. Klasik dev çarpışma modellerinde Ay'ın büyük ölçüde Theia'dan gelen malzemeden oluşması beklendiği için bu benzerlik uzun süredir bir bilmece. Çarpışma sırasında malzemenin nasıl karıştığını, hangi cisimden ne kadar parçanın uyduya geçtiğini belirleyen her yeni fiziksel etken, bu bilmecenin çözümüne doğrudan etki ediyor.

Dünya'nın kayalık gezegenler arasında orantısız büyüklükte bir uyduya sahip olması da sorunun önemini artırıyor. Ay, eksen eğikliğimizi dengeleyerek iklimin uzun vadede görece kararlı kalmasına katkıda bulunuyor. Böyle bir uydunun nasıl oluştuğunu anlamak, başka yıldızların çevresindeki kayalık gezegenlerde büyük uyduların ne kadar yaygın olabileceğine dair tahminleri de besliyor. Yeni simülasyonlar tek bir yanıtı dayatmıyor; aksine olası sonuçların yelpazesini genişletiyor ve gelecekteki modellerin sıcaklık ve dayanım gibi "ayrıntıları" artık atlayamayacağını gösteriyor.