Dev çarpışmalar genç gezegenin atmosferini koparmayabilir: Alt-Neptünler böyle doğmuş olabilir

Gezegen bilimindeki yerleşik kabullerden biri şuydu: Büyümekte olan kayalık bir gezegene büyük bir cisim çarptığında açığa çıkan ısı, gezegenin doğuştan getirdiği hidrojence zengin atmosferi uzaya savurur. 26 Ekim'de Nature Astronomy'de yayımlanan bir çalışma bu tabloyu tersine çeviriyor. Yale Üniversitesi'nden Jun Korenaga ile bir süre önce Yale'deki doktora sonrası görevinden Şanghay Jiao Tong Üniversitesi'ne geçen Darius Modirrousta-Galian'ın modeline göre dev çarpışmalar çoğu durumda atmosferin kaybolmasını değil, korunmasını kolaylaştırıyor.

Bulgu, ötegezegen biliminin en çok tartışılan sorularından birine de yanıt adayı getiriyor: Galaksimizde neden bu kadar çok "süper Dünya" ve bu kadar çok "alt-Neptün" var?

İlk atmosfer ve çarpışma çağı

Gezegenler, genç yıldızın çevresindeki gaz ve toz diskinin içinde büyür. Yeterince kütle kazanan bir kayalık çekirdek, diskteki gazdan hidrojen ve helyumca zengin bir zarf toplayabilir; gökbilimciler buna ilk ya da birincil atmosfer diyor. Disk birkaç milyon yıl içinde dağıldıktan sonra da büyüme bitmez. Dünya boyutunda ya da daha büyük gezegenlerin, küçük gezegen cisimlerinin birbirine çarpmasıyla son hâlini aldığı düşünülüyor.

Korenaga'nın Yale'in açıklamasındaki ifadesiyle bu çarpışmalar gezegene hem kütle ekliyor hem de muazzam miktarda ısı bırakıyor; ısı atmosferin kaçışını hızlandırabilir. Asıl soru, bu iki etkinin birlikte nasıl işlediği. Bugüne kadarki modellerin çoğu ısıya ağırlık verdiği için dev çarpışmanın atmosferi neredeyse her zaman tümüyle sildiği sonucuna varıyordu.

Isı nereye gidiyor?

Yeni çalışma, diskin dağılmasından sonra yaşanan en büyük çarpışmanın ardından gezegenin nasıl evrildiğini, kütleçekimsel bağlanma enerjisi ile mantonun ısı enerjisindeki artışı aynı anda hesaba katarak izliyor. Kütleçekimsel bağlanma enerjisi, atmosferin gezegene ne kadar sıkı tutunduğunun ölçüsü olarak düşünülebilir.

Makalenin özetine göre çarpan cismin kütlesinin tamamı bu bağlanmayı güçlendiriyor; çarpışma enerjisinin ise yalnızca bir kısmı manto sıcaklığını yükseltiyor. Mantonun erimesi enerjinin bir bölümünü gizli ısı olarak tüketiyor. Çarpan cismin metal çekirdeği de mantoya pek az enerji aktarıyor ve derinlerde aşırı ısınmış hâlde kalıyor. Sonuçta çarpışma, gezegenin atmosferi tutma gücünü yüzeyi ısıtma etkisinden daha fazla artırıyor ve denge atmosferin korunmasından yana kayıyor.

Korenaga, bu sonucun dev çarpışmaların neredeyse her zaman tam atmosfer kaybına yol açtığı yönündeki onlarca yıllık görüşü tersine çevirdiğini ve çarpışmaların alt-Neptünlerin oluşumunda belirleyici rol oynayabileceğini gösterdiğini söylüyor.

İki gezegen ailesine bir açıklama

Süper Dünyalar, Dünya'dan biraz büyük ve birincil atmosferini kaybetmiş kayalık gezegenler. Alt-Neptünler daha büyük ve hâlâ kalın bir hidrojen zarfı taşıyor. Güneş Sistemi'nde ikisinin de örneği yok, ama ötegezegen taramalarında en sık rastlanan gezegen türleri arasındalar. Çalışmanın baş yazarı Modirrousta-Galian, doğanın bu iki türü neden bu kadar bol ürettiğinin ötegezegen biliminin temel bilmecelerinden biri olduğunu belirtiyor.

Modelin sunduğu senaryo şöyle: Büyük, atmosferli gezegenler ağırlıklı olarak çarpışmalarla büyüyerek ortaya çıkıyor. Böyle bir dev çarpışma yaşamayan daha küçük gezegenler ise yıldızlarının uzun süreli ışınımı altında ilk atmosferlerini zamanla yitirip süper Dünyaya dönüşüyor. Araştırmacılar, nüfus düzeyinde bunun ölçülebilir bir iz bırakması gerektiğini öne sürüyor: Alt-Neptünlerin kayalık iç kısımları, ortalamada süper Dünyalarınkinden daha kütleli olmalı.

Sınırlar ve sıradaki adım

Çalışma bir kuramsal model; doğrudan bir gözleme dayanmıyor. Modirrousta-Galian ve Korenaga son yıllarda atmosfer kaçışı ile gezegen iç yapısının birlikte nasıl evrildiğine dair bir dizi makale yayımlamıştı; yeni çalışma bu parçaları dev çarpışma sonrasındaki döneme uyguluyor. Modelin en büyük çarpışmaya odaklandığını, gerçek gezegenlerin ise farklı büyüklükte birçok çarpışma geçirmiş olabileceğini akılda tutmak gerekiyor.

Öne sürülen öngörü ise sınanabilir nitelikte. Yarıçapı ve kütlesi birlikte ölçülen ötegezegenlerin sayısı arttıkça, alt-Neptünlerin gerçekten daha ağır kayalık çekirdekler taşıyıp taşımadığı istatistiksel olarak denetlenebilecek. Yanıt olumlu çıkarsa, gezegen ailelerinin ayrışmasında yıldız ışınımının yanında çarpışma geçmişinin de belirleyici olduğu kabul görebilir.