Veliki sudar može užariti stjenoviti planet i potaknuti gubitak plinova, ali novi model pokazuje da istodobno može pomoći planetu da zadrži prvotnu atmosferu. Presudna je dodatna masa: nakon sudara gravitacija snažnije veže plin, dok se samo dio energije udara pretvara u zagrijavanje planetarnog plašta.
Darius Modirrousta-Galian i Jun Korenaga usporedili su ta dva učinka u radu objavljenom 26. listopada u časopisu Nature Astronomy. Njihovi izračuni odnose se na stjenovite planete s prvotnim atmosferama bogatima vodikom, a ne na današnju Zemljinu atmosferu. Pokazuju da sudari u kasnijim fazama nastanka planeta ne moraju nužno ostaviti ogoljenu površinu.
Rezultat nudi moguće objašnjenje razlike između dviju čestih skupina egzoplaneta: super-Zemalja i sub-Neptuna. Ako rast sudarima olakšava zadržavanje plina, planeti s debljim plinskim omotačima mogli bi u prosjeku imati i masivniju stjenovitu unutrašnjost.
Sudar mijenja i temperaturu i masu
Stjenoviti planeti veličine Zemlje ili veći tijekom nastanka mogu doživjeti jedan ili više sudara s drugim velikim tijelima. Dio tih susreta događa se nakon što nestane protoplanetarni disk, oblak plina i prašine iz kojeg je sustav nastao.
Nakon nestanka diska planet više nema okolnu zalihu plina iz koje bi nadoknadio izgubljenu atmosferu. Njegov daljnji razvoj ovisi i o tome hoće li ranije prikupljeni plin ostati vezan uz njega ili će pobjeći u svemir.
Toplina oslobođena sudarom može povisiti temperaturu površine i potaknuti atmosferski gubitak. No tijelo koje udari u planet donosi i novu masu. Ako se ona ugradi u planet, povećava se energija potrebna da plin svlada njegovu gravitaciju.
Modirrousta-Galian, sa Šangajskog sveučilišta Jiao Tong, i Korenaga, sa Sveučilišta Yale, u svom su modelu zajedno pratili promjene gravitacijskog vezanja atmosfere i toplinske energije plašta nakon najvećeg sudara koji se dogodio poslije nestanka diska. Takav pristup omogućuje usporedbu zagrijavanja s učinkom povećane mase.
Ne zagrijava sva energija udara plašt
Za konačni ishod nije dovoljno zbrojiti ukupnu energiju sudara i pretpostaviti da će sva završiti kao toplina plašta. Energija se raspodjeljuje među različitim dijelovima unutrašnjosti, a dio se troši na promjenu stanja stijena.
Taljenje plašta zahtijeva energiju. Dok se stijena tali, dio energije ulazi u samu promjenu iz čvrstog u tekuće stanje, umjesto da samo podiže temperaturu. To je učinak latentne topline, važan za procjenu koliko će se planet nakon udara doista zagrijati.
Metalna jezgra tijela koje udara pritom predaje razmjerno malo energije plaštu i ostaje izrazito vruća u dubini. Njezina se toplina ne može jednostavno izjednačiti sa zagrijavanjem površinskih slojeva koji utječu na atmosferu.
S druge strane, ukupna masa koja se ugradi u planet pridonosi jačem gravitacijskom vezanju plina. U prikazanom modelu taj porast nadmašuje povećanje toplinske energije plašta, pa se uvjeti nakon sudara pomiču u korist zadržavanja prvotne atmosfere.
Veći planet može lakše sačuvati plin
Iz toga slijedi naizgled neobična posljedica: snažan sudar ne mora biti događaj nakon kojeg planet lakše gubi plin. Rast spajanjem velikih tijela može stvoriti masivniji planet koji ga teže ispušta.
Manji planeti koji nisu prošli takav rast u modelu su skloniji gubitku prvotne atmosfere pod dugotrajnim djelovanjem zvjezdanog zračenja. Važna je, dakle, kombinacija povijesti sudara, mase i kasnijeg razvoja, a ne samo činjenica da se sudar dogodio.
Autori taj rezultat povezuju s raspodjelom veličina egzoplaneta. Super-Zemlje i sub-Neptuni ne razlikuju se samo po ukupnom polumjeru: relativno malen udio plina može znatno povećati dimenzije planeta. Ako sudari istodobno povećavaju stjenoviti dio i olakšavaju zadržavanje plinskog omotača, sub-Neptuni bi u prosjeku mogli imati masivniju stjenovitu unutrašnjost od super-Zemalja.
To je predviđanje modela za populaciju planeta, a ne tvrdnja da svaki sub-Neptun ima težu jezgru od svake super-Zemlje. Istraživanje također ne pokazuje da je atmosfera sigurna nakon bilo kakvog udara. Razmatra određenu fazu razvoja i prvotne omotače bogate vodikom. Za usporedbu s konkretnim planetima bit će važno odvojiti masu plina od mase stjenovite unutrašnjosti te provjeriti odgovaraju li njihove izmjerene mase i polumjeri predviđenom odnosu.
