Yok Olan Gezegen: GJ 3470b’nin Kaybolan Atmosferi

Ultraviyole ışıkta görülen, yok olan bir dünya

Gökbilimciler ultraviyole ışıkta baktıklarında, yaklaşık 96 ışık yılı uzaklıktaki Neptün boyutundaki bir dünya, bir gezegenden çok bir kuyruklu yıldıza benziyor. Hubble Uzay Teleskobu spektrumları, GJ 3470b'yi çevreleyen, gezegenden kopup uzaya savrulan devasa bir nötr hidrojen bulutu olduğunu ortaya koyuyor; bu sinyal o kadar güçlü ki araştırmacılar, gezegenin şimdiden orijinal kütlesinin önemli bir kısmını kaybettiğini ve incelenen diğer benzer dünyaların hepsinden daha hızlı buharlaştığını tahmin ediyor.

Sinyal nasıl bulundu?

Bu tespit, Panchromatic Comparative Ötegezegen Treasury (PanCET) programının bir parçası olarak, hidrojenin Lyman-α çizgisinde gerçekleştirilen ve GJ 3470b'nin ev sahibi kırmızı cüce yıldızının önünden geçişine dair tekrarlanan gözlemlerden elde edildi. Hubble verileri, geçiş sırasında derin ve tekrarlanabilir bir soğurma gösteriyor: Çizginin mavi kanadında yaklaşık %35, kırmızı kanadında ise %23 oranındaki bu izler, gezegenin Roche lobunun çok ötesine uzanan büyük ve yapısal bir nötr hidrojen zarfına işaret ediyor. Bu ölçümler, ekibin kaçan maddeyi modellemesine ve saniyede 10^10 gram mertebesinde güncel bir nötr hidrojen kaybı oranı çıkarmasına olanak tanıdı.

Kaçışın fiziği: Isınma, radyasyon basıncı ve Roche sınırları

Yakın yörüngeli gezegenler, yıldızlarının X-ışını ve aşırı ultraviyole radyasyonuna (XUV) maruz kalır. Bu enerji üst atmosferi ısıtarak onu hidrodinamik akışa iter: Gaz, tekil parçacıklar gezegenin kütleçekiminden kaçana kadar genişler. GJ 3470b için bu süreç daha da şiddetlidir; çünkü gezegen nispeten düşük yoğunlukludur ve genç, aktif bir M-cüce yıldızın etrafında dönmektedir. Bu nedenle yıldızın radyasyon basıncı ve yüksek enerjili akısı, nötr hidrojeni yüksek hızlarla uzağa iter. Gözlemlenen yıldız ışımasını parçacık dinamiğiyle birleştiren sayısal simülasyonlar, Hubble'ın soğurma izlerini yeniden üretmekte ve gezegenin, daha önce ölçülen sıcak Neptünlerden çok daha hızlı madde kaybettiğini göstermektedir.

Ekzosfer şekli dinamikler hakkında ipucu veriyor

GJ 3470b'nin soğurması, hem maviye hem de kırmızıya kaymış bileşenlerle hız bakımından asimetriktir. Bu model —atomların yıldızdan uzağa doğru hızlandığını gösteren genişlemiş bir mavi kanat ve yoğun, yavaş hareket eden gazla tutarlı bir kırmızı kanat— kaçan akışta birden fazla bölge olduğunu göstermektedir. Analizler, gezegenin önünde ve arkasında onlarca gezegen yarıçapı kadar uzanabilen elipsoid şeklinde, uzamış bir termosferi desteklemektedir ve bu yapı, dışarı akan gezegen gazının yıldız rüzgarıyla çarpıştığı bir şok tabakasını da içerebilir. Gökbilimcilerin sadece bir bulut tespitinden kütle kaybı geçmişi tahminine geçmesini sağlayan şey, işte bu geometrik detaylardır.

Ne kadarı çoktan gitti ve gelecek ne getirebilir?

Çıkarılan kaçış oranını, yıldızın geçmişteki aktivitesi hakkındaki makul varsayımlar altında geriye doğru yansıtan ekip, GJ 3470b'nin yaklaşık iki milyar yıllık ömrü boyunca mevcut toplam kütlesinin kabaca %4 ile %35'ini kaybetmiş olabileceğini tahmin ediyor. Yıldız gençken XUV dalga boyunda çok daha parlaksa bu oran daha da büyük olabilir. Benzer ortalama oranlarda devam eden kaçış, birkaç milyar yıl içinde gezegeni hidrojen zarfının çoğundan mahrum bırakabilir ve geriye çok daha küçük, kayalık bir çekirdek bırakabilir; bu evrimsel yol, neden yıldızlarına çok yakın yörüngede bu kadar az Neptün boyutunda gezegen gözlemlendiğini açıklamaya yardımcı olabilir. Ancak bu hesaplamalar önemli belirsizlikler taşımaktadır: Kütle kaybı oranları yıldız aktivitesinin belirsiz geçmişine, atmosferin bileşimine ve termal yapısına ve yıldız rüzgarı ile etkileşimlere bağlıdır.

Bağlam: Buharlaşma çölü ve popülasyon evrimi

Ötegezegen araştırmaları, kısa yörünge mesafelerinde orta büyüklükteki gezegenlerin görece kıtlığına uzun zamandır dikkat çekmektedir; bu özellik bazen "buharlaşma çölü" olarak adlandırılır. Bir açıklama, birçok sıcak Neptün'ün kalın hidrojen/helyum zarflarıyla oluştuğu ancak sürekli atmosferik kaçış nedeniyle süper-Dünyalara ve mini-Neptünlere dönüştüğüdür. GJ 3470b bu çölün kenarında yer almaktadır ve devam eden belirgin kaybı, iş başındaki aşınma mekanizmasına dair doğrudan ve gözlemlenebilir bir örnek sunmaktadır. GJ 3470b'nin daha iyi bilinen buharlaşan Neptün GJ 436b ile karşılaştırılması, yoğunluk ve ev sahibi yıldız aktivitesindeki farklılıklar nedeniyle kaçış davranışının benzer gezegenler arasında bile büyük ölçüde değişebileceğini göstermektedir.

Gözlemsel zorluklar ve ultraviyolenin neden kritik olduğu

Hidrojen kaçışını incelemek ultraviyole spektroskopisine dayanır ve bu da önemli bir gözlemsel sınırlama getirir: Yıldızlararası ortam Lyman-α'yı saçar ve soğurur; bu nedenle sadece yaklaşık 150 ışık yılı mesafesindeki ve uygun bakış hattına sahip nispeten yakın sistemlere erişilebilir. Bu nedenle Hubble'ın ultraviyole yeteneği vazgeçilmez olmuştur ve PanCET programının çok evreli yaklaşımı, gezegen sinyallerini yıldız değişkenliğinden ve aletsel etkilerden ayırmayı mümkün kılmıştır. Kızılötesinde görülen helyum gibi tamamlayıcı izleyiciler, Lyman-α sınırlamalarının bazılarını aşar ve James Webb Uzay Teleskobu ile helyum çizgilerine odaklanmış yer tabanlı spektrograflar gibi araçlar tarafından erişilebilirdir; bu gözlemler, akışın daha düşük hızlı bölgelerini inceleyebildikleri ve toplam kütle kaybı bilançosunun netleştirilmesine yardımcı olabildikleri için yüksek önceliğe sahiptir.

Cevapsız sorular ve sonraki adımlar

Hubble sinyalinin netliğine rağmen temel belirsizlikler devam etmektedir. Ölçülen bir nötr hidrojen kaybı oranını toplam atmosferik kütle kaybına dönüştürmek, iyonizasyon dengesi ve dışarı akan akışta sürüklenen daha ağır türlerin oranı hakkında varsayımlar gerektirir. Yıldızın yüksek enerjili geçmişi —gençken XUV'de ne kadar parlak olduğu— toplam kütle kaybı tahminlerini domine etmektedir ve bu sadece dolaylı olarak sınırlandırılabilmektedir. Gelecekte gökbilimciler çok dalga boylu takip çalışmaları planlıyor: Kızılötesinde helyum aramaları, uzun vadeli kararlılığı veya yıldız aktivitesine bağlı değişimleri kontrol etmek için ek ultraviyole izlemeleri ve Lyman-α'da gözlemlenen sıcak Neptün örneklemini genişleten karşılaştırmalı taramalar. Bu gözlemler birlikte, ötegezegen popülasyonlarının şekillenmesinde buharlaşmanın rolünü netleştirecektir.

Bu nedenle GJ 3470b hem bir laboratuvar hem de bir uyarı niteliğindedir: Yakındaki bir yıldızın amansız etkisi altında bir dünya, yavaş yavaş soyularak tamamen farklı bir şeye dönüşebilir. Bu evrim —karmaşık, geniş kapsamlı ve nereye bakacağınızı biliyorsanız görünür— küçük, aktif yıldızların yörüngesindeki birçok gezegenin yaşam öyküsündeki yaygın bir bölüm olabilir.

Kaynaklar

• Astronomy & Astrophysics (araştırma makalesi: "Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b").
• Johns Hopkins University / PanCET basın materyalleri (GJ 3470b'nin Hubble gözlemleri üzerine).
• Space Telescope Science Institute (Hubble görev desteği ve PanCET program dokümantasyonu).