Sıcak Jüpiterler yıldızlarına nasıl yaklaşıyor? Cevap ses hızını aşan dalgalarda olabilir

Yıldızına çok yakın dolanan dev gaz gezegenlerin yörüngelerini nasıl daralttığı, ötegezegen biliminin otuz yıllık sorularından biri. Penn State Üniversitesi'nden J. J. Zanazzi'nin yürüttüğü ve The Astrophysical Journal'da yayımlanmak üzere kabul edilen bir çalışma, bu yolculukta gezegenin atmosferinde oluşan şok dalgalarının belirleyici olabileceğini öne sürüyor. Ekipte Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden Morgan MacLeod ile Penn State'ten Marta L. Bryan ve Suvrath Mahadevan da var.

Çalışmanın iddiası tek bir mekanizmayla üç ayrı gözlemi birden açıklamak: sıcak Jüpiterlerin belirli yörünge sürelerinde yığılması, Neptün boyutlu gezegenlerin benzer bir "sırtta" toplanması ve yıldıza en yakın bölgede bu gezegenlerin neredeyse hiç bulunmaması.

Sıcak Jüpiter nedir, sorun nerede?

Sıcak Jüpiter, Jüpiter kütlesine yakın ama yıldızının etrafını birkaç günde dolanan gaz devlerine verilen ad. Güneş benzeri bir yıldızın çevresinde bulunan ilk ötegezegen olan 51 Pegasi b de böyle bir gezegendi. NASA'nın ötegezegen kataloğuna göre 1995'te duyurulan bu gezegen, yıldızının çevresini 4,2 günde dolanıyor ve yaklaşık 0,05 astronomik birim uzaklıkta bulunuyor. Karşılaştırma için Merkür'ün Güneş'e uzaklığı yaklaşık 0,39 astronomik birimdir.

Bu kadar büyük gezegenlerin yıldıza bu kadar yakında oluşması zor görülüyor. Yaygın açıklamalardan biri "yüksek basıklıklı göç" adı verilen süreç. Buna göre gezegen birkaç astronomik birim uzakta doğuyor, başka gezegenlerle kütle çekimsel etkileşimler sonucunda çok basık (eliptik) bir yörüngeye savruluyor. Sonra her yıldıza yakın geçişte gelgit etkileriyle enerji kaybedip yörüngesini zamanla daire biçimine getiriyor. Çalışmanın yazarlarına göre sorun, bu sırada gezegenin içinden geçen devasa enerjinin nasıl harcandığının ayrıntılı olarak bilinmemesi.

Yüzey dalgaları şoka dönüşüyor

Ekip, gezegen yıldızına en çok yaklaştığında gelgit kuvvetlerinin gezegen ölçeğinde salınımlar başlattığını gösteriyor. Makalede "f-modu" olarak anılan bu temel salınımlar, gezegenin yüzeyinde yatay ilerleyen yüzey çekim dalgaları gibi davranıyor ve yörünge enerjisi için bir depo işlevi görüyor. Seyrek dış atmosferde bu dalgaların hızı ses hızını aşıyor ve dalgalar şok dalgasına dönüşerek kırılıyor. Böylece yörünge enerjisi ısıya çevriliyor.

Araştırmacılar bu süreci Athena++ adlı akışkanlar dinamiği koduyla üç boyutlu benzetimlerde inceledi. Gezegenlerin iç yapısını ve salınım frekanslarını hesaplamak için de MESA ve GYRE yazılımlarını kullandılar.

Şokun derinliği gezegenin kaderini belirliyor

Benzetimlere göre sonuç, şokun atmosferde ne kadar derine indiğine bağlı. Şok sığ kalır ve ısı ışınımla dağılırsa gezegen gaz zarfını koruyor, yörüngesi daireselleşiyor ve belirli bir yörünge süresinde birikiyor. Makaleye göre bu durum, Jüpiter kütleli gezegenlerin yaklaşık 3 ile 5-6 gün arasındaki yığılmasını ve 10 ile 100 Dünya kütlesi arasındaki gezegenlerin 3-6 günlük "Neptün sırtını" açıklıyor.

Şok daha derine iner ve gazı dışarı akıtırsa gezegen zarfını kaybediyor, geriye yoğun bir çekirdek kalıyor. Yazarlara göre bu da üç günden kısa yörüngelerde Neptün boyutlu gezegenlerin neden bu kadar az görüldüğünü, yani "Neptün çölü"nü açıklayabilir. Çölde bulunan yoğun gezegenler, bu sürecin kalıntısı olabilir.

Sınanabilir öngörüler

Çalışma iki öngörü içeriyor. Birincisi, Neptün çölüne bu yolla yerleşen gezegenlerin yörünge düzlemi ile yıldızın dönme ekseni arasında büyük açılar, yani güçlü bir "dönme-yörünge uyumsuzluğu" görülmesi. İkincisi, bu gezegenlerin yerlerine ulaşırken parlak işaretler, makaledeki ifadeyle "parlak flarlar" üretmesi. Makalede bu flarların süresi ve parlaklığı için henüz sayısal bir tahmin verilmiyor.

Yazarlar modelin sınırlarını da açıkça yazıyor. Benzetimlerde Coriolis etkisi salınımlara dahil edilmedi, gezegenin öz çekimi basitleştirilmiş bir yaklaşımla hesaplandı ve yıldızın gezegeni buharlaştırma etkisi basit tutuldu. Yörüngelerin hesabı da basıklığın 0,8'in altına indiği noktada durduruldu. Yani mekanizma umut verici, ama gözlemle sınanması gerekiyor.

Sırada ne var?

Dönme-yörünge açıları, gezegen yıldızın önünden geçerken yapılan tayf ölçümleriyle belirlenebiliyor. Neptün çölündeki gezegenler için bu ölçümler arttıkça modelin ilk öngörüsü sınanabilecek. Gezegenlerin yerine otururken üreteceği öngörülen parlamaları yakalamak ise daha zor. Ekip, bu olayların teleskoplarla nasıl aranabileceği üzerinde çalışıyor.