Süpersonik dalgalar sıcak Jüpiter ve Neptünlerin garip yörüngelerini açıklayabilir

ABD’deki bir gökbilimci ekibi, gelişmiş yeni simülasyonlar kullanarak, dev gazlı ötegezegenlerin, ev sahibi yıldızların etrafındaki boğucu derecede yakın yörüngelere nasıl göç ettiğine dair umut verici yeni bir teori geliştirdi. Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden JJ Zanazzi liderliğindeki ekip, hem büyük “sıcak Jüpiterlerin” hem de daha küçük, Neptün büyüklüğündeki gezegenlerin, dış atmosferlerindeki çarpıcı şok dalgaları yoluyla enerji açığa çıkarırken uzak, eliptik yörüngelerden nasıl göç edebildiklerini gösterdi. Sonuçları şu adreste yayınlandı: Astrofizik Dergisi.

Yığın, sırt ve çöl

Sıcak Jüpiterler, kendi güneş sistemimizdeki en büyük gezegenle karşılaştırılabilir kütlelere sahip, ancak ev sahibi yıldızlarına son derece yakın yörüngede dönen ve onlara yaklaşık 2.000 Kelvin’i aşabilen sıcaklıklar sağlayan bir dış gezegen sınıfıdır. Yörünge dönemleri son derece kısa olmakla kalmıyor, aynı zamanda üç ila beş günlük bir aralıkta kümeleniyorlar; bu olaya “sıcak Jüpiter yığılması” adı veriliyor.

Benzer kümelenme, Neptün ve Satürn’ünkiler arasında yer alan ve “Neptün sırtı” olarak bilinen daha küçük gaz devlerinde de görülebilir. Ancak sıcak Jüpiter’lerden farklı olarak bu gezegenler, yaklaşık üç günden daha kısa yörüngelerde şaşırtıcı derecede az bulunuyor ve bu da “Neptün çölü” adı verilen keskin bir gözlem boşluğu yaratıyor.

Gökbilimciler için bu özellikler, bu ötegezegenlerin dramatik geçmişleri hakkında ipuçları sunuyor. Oluşumlarını açıklamak için, yaşamlarına yıldız sistemlerinin çok daha uzağında, oldukça eliptik yörüngelerde başladıkları yaygın olarak öne sürülüyor. Ev sahibi yıldızlardan gelen gelgit kuvvetleri yörüngelerindeki enerjiyi emdikçe, daha sonra içeriye doğru göç etmişler ve sonunda çarpıcı derecede benzer uzunluklara sahip sabit, dairesel yörüngelere ulaşmış olacaklardır.

Ancak yörüngelerinin bu şekilde şekil değiştirmesi için gezegenlerin büyük miktarda yörünge enerjisi emmiş olmaları gerekir. Zanazzi, “Beni her zaman rahatsız eden şey, tüm bu enerjinin gezegenin içinden geçtiği düşünülse de (gezegenin kütlesinin çoğunu tamamen yok etmeye yetecek kadar), bunun meydana gelmesine hangi sürecin neden olduğunu anlamaya cesaret eden çok az kişi var” diyor.

Yüzey yerçekimi dalgaları

Ekip, araştırmak için, Harvard Üniversitesi’nden ortak yazar Morgan MacLeod tarafından yürütülen, dev göç eden ötegezegenlerin ayrıntılı simülasyonlarını inceledi. Eliptik bir yörüngeye en yakın yaklaşımında bir gezegen, ev sahibi yıldızından gelen yoğun çekim kuvvetlerine maruz kalacaktır. Sonuç olarak, simülasyonlarda gezegenin yüzeyi boyunca yatay olarak ilerleyen, “yüzey yerçekimi dalgaları” adı verilen gezegen ölçeğinde salınımlar ortaya çıktı.

Yoğunluğun keskin bir şekilde düştüğü ince dış atmosferde MacLeod’un simülasyonları, bu dalgaların gazın içindeki ses hızından daha hızlı hareket edebildiğini gösterdi. Bu noktada, süpersonik akış, basınçta ve yoğunlukta ani bir sıçrama olan ve dalganın enerjisini hızla ısıya dönüştüren bir şok dalgasına dönüşür. Bu enerji gezegenin yörüngesinden alındığından, her şok yörünge yolunu daha düşük enerjili, daha dairesel bir şekle dönüştürür. Bazı durumlarda ısı, gazın gezegenden kaçması için gereken enerjiyi de sağlıyordu.

İçi boşaltılmış gezegenler

Simülasyonlarda her gezegenin nihai kaderi, şokun atmosferde ne kadar derinden ortaya çıktığına bağlıydı. Zanazzi şöyle açıklıyor: “Sığ şokların bir gaz devinin kütlesini tutabildiğini, derin şokların ise bu gezegenlerin gaz zarflarını patlatarak geride çorak dev gezegen çekirdekleri bıraktığını bulduk.”

Ekip, bu şiddetli ikinci durumun, genellikle ev sahibi yıldızlardan son derece küçük yörünge mesafelerinde bulunan, Dünya’nın kütlesinden on kat daha büyük kütlelere sahip yoğun, kayalık ötegezegenlerden sorumlu olabileceğini öne sürdü. Zanazzi, “Ayrıca, bu gezegensel zarfları patlatan sürecin gözlemlenebilir olması gerektiğini de tahmin ediyoruz ve şu anda hangi teleskopların bu parlak olayları tespit etme kapasitesine sahip olduğunu araştırıyoruz” diye ekliyor.

Çölü açıklamak

Ekibin modeline göre bir gezegenin kaderi, yörüngesinin ne kadar hızlı uzadığına bağlıydı. Bu genellikle yavaş gerçekleşir; bir gezegen yıldızına yeterince yaklaştığında, yüzeydeki yerçekimi dalgası şokları yörüngesini daireselleştirmeye başlar ve daha fazla esnemeyi durdurur. Bu, hem sıcak Jüpiter’leri hem de daha küçük gaz devlerini güvenli bir mesafede sabit bırakıyor; bu da gökbilimcilerin gözlemlediği hem sıcak Jüpiter yığılmasını hem de Neptün sırtını açıklıyor.

Ancak yörüngesi daha hızlı esnetilirse, bir gezegen, şoklar etkili olmadan önce yıldızına çok fazla yaklaşabilir ve her geçişte gazını boşaltabilir. Bu, kenarı bu sıyrılmanın başladığı mesafeye çok yakın olan Neptün çölü için yeni bir açıklama sunuyor. Bu aynı zamanda Neptün çölünde bulunan nadir ötegezegenlerin neden alışılmadık derecede yoğun olduğunu da açıklayabilir; muhtemelen göçleri sırasında döktükleri kütle nedeniyle.

Ekip, bu yakın yörüngelerdeki sıcak Jüpiterlerin, daha sonra, ev sahibi yıldızların üzerinde yükselen gelgitler nedeniyle daha içeriye doğru sürüklenmiş olabileceğini öne sürüyor. Zanazzi, “İnsanlar daha fazla gözlem topladıktan sonra tahminlerimizin geçerli olup olmadığı, fikirlerimizin geçerli olup olmadığını bize gösterecek” diyor.