Gezegenler daha önce düşünülenden daha fazla su içerebilir

Dünya’nın yüzeyinde silikat temel kaya ve su (okyanuslar) mantosuyla çevrili bir demir çekirdeği olduğunu biliyoruz. Bilim, bu basit gezegen modelini bugüne kadar güneş sistemimizin dışında başka bir yıldızın yörüngesinde dönen gezegenler olan dış gezegenleri araştırmak için kullandı.

ETH Zürih’teki Gezegen Dışı Bilimler Profesörü Caroline Dorn, “Gezegenlerin düşündüğümüzden daha karmaşık olduğunu ancak son yıllarda fark etmeye başladık” diyor.

Bugün bilinen dış gezegenlerin çoğu yıldızlarına yakın bir konumdadır. Bu, esas olarak, henüz Dünya gibi katı bir silikat kaya örtüsü oluşturmak üzere soğumamış erimiş magma okyanuslarının sıcak dünyalarından oluştukları anlamına gelir. Su, bu magma okyanuslarında çok iyi çözünür; örneğin, hızla gazını dışarı veren ve atmosfere yükselen karbondioksitin aksine.

Demir çekirdek, silikatların erimiş mantosunun altında yer alır. Peki su, silikatlar ve demir arasında nasıl dağıtılır?

Dorn’un, Princeton Üniversitesi’nden Haiyang Luo ve Jie Deng ile işbirliği yaparak, temel fizik yasalarına dayalı model hesaplamalarının yardımıyla araştırdığı şey tam olarak budur. Sunmak dergideki sonuçları Doğa Astronomi.

Su ve demir içeren magma çorbası

Sonuçları açıklamak için Dorn biraz ayrıntıya girmek zorunda: “Demir çekirdeğin gelişmesi zaman alır. Demirin büyük bir kısmı başlangıçta damlacıklar halinde sıcak magma çorbasında bulunur.” Bu çorbada tutulan su bu demir damlacıklarıyla birleşir ve onlarla birlikte çekirdeğe batar. Dorn, “Demir damlacıkları, su tarafından aşağıya doğru iletilen bir kaldırma kuvveti gibi davranır,” diye açıklıyor.

Şimdiye kadar, bu davranışın yalnızca Dünya’da da geçerli olan türden orta basınçlar için geçerli olduğu biliniyordu. Daha yüksek basınçlı iç koşullara sahip daha büyük gezegenlerde ne olduğu bilinmiyordu.

Dorn, “Bu, çalışmamızın temel sonuçlarından biri,” diyor. “Gezegen ne kadar büyük ve kütlesi ne kadar büyükse, su demir damlacıklarıyla birlikte hareket etme ve çekirdeğe entegre olma eğilimi o kadar fazla oluyor. Belirli koşullar altında, demir silikatlardan 70 kata kadar daha fazla su emebilir. Ancak, çekirdekteki muazzam basınç nedeniyle, su artık H₂O moleküllerinde bulunur ancak hidrojen ve oksijende bulunur.”

Dünya’nın içinde de büyük miktarda su var

Bu çalışma, dört yıl önce şaşırtıcı bir sonuç ortaya koyan Dünya’nın su içeriğinin incelenmesiyle tetiklendi: Dünya yüzeyindeki okyanuslar, gezegenimizin toplam suyunun yalnızca küçük bir kısmını içerir. Dünya okyanuslarının 80’den fazlasının içeriği, iç kısmında gizlenmiş olabilir. Bu, suyun Dünya gençken geçerli olan koşullar altında nasıl davrandığını hesaplayan simülasyonlarla gösterilmiştir. Deneyler ve sismolojik ölçümler buna göre uyumludur.

Gezegenlerdeki suyun dağılımına ilişkin yeni bulgular, astronomik gözlem verilerinin yorumlanması açısından çarpıcı sonuçlar doğurmaktadır. Astronomlar, uzaydaki ve Dünya’daki teleskoplarını kullanarak, belirli koşullar altında, bir dış gezegenin ağırlığını ve boyutunu ölçebilirler. Bu hesaplamaları, gezegenin bileşimi hakkında çıkarımlar yapılmasına olanak tanıyan kütle-yarıçap diyagramları çizmek için kullanırlar. Bunu yaparken -şimdiye kadar olduğu gibi- suyun çözünürlüğü ve dağılımı göz ardı edilirse, suyun hacmi on kata kadar önemli ölçüde düşük tahmin edilebilir.

Dorn, “Gezegenler daha önce tahmin edilenden çok daha fazla suya sahip” diyor.

Evrim tarihini anlamak

Gezegenlerin nasıl oluştuğunu ve geliştiğini anlamak istiyorsak su dağılımı da önemlidir. Çekirdeğe batan su sonsuza dek orada hapsolmuş olarak kalır. Ancak mantonun magma okyanusunda çözünen su, manto soğuması sırasında gaz kaybedebilir ve yüzeye çıkabilir.

Dorn, “Dolayısıyla bir gezegenin atmosferinde su bulursak, muhtemelen iç kısmında da çok daha fazlası vardır” diye açıklıyor.

İki yıldır uzaydan Dünya’ya veri gönderen James Webb Uzay Teleskobu’nun bulmaya çalıştığı şey budur. Gezegenlerin atmosferindeki molekülleri takip edebilir.

“Sadece dış gezegenlerin üst atmosferinin bileşimi doğrudan ölçülebilir,” diye açıklıyor bilim insanı. “Grubumuz atmosferden gök cisimlerinin iç derinliklerine bağlantı kurmak istiyor.”

TOI-270d adı verilen ötegezegenin yeni verileri ise oldukça ilgi çekici.

“İçindeki magma okyanusu ile atmosfer arasında bu tür etkileşimlerin gerçek varlığına dair kanıtlar orada toplandı,” diyor TOI-270d hakkında ilgili yayında yer alan Dorn. Daha yakından incelemek istediği ilginç nesneler listesinde, üzerinde yaşam olma olasılığı nedeniyle manşetlere çıkan K2-18b gezegeni de yer alıyor.

Su dünyaları gerçekten de yaşamı destekliyor mu?

Su, yaşamın gelişmesi için ön koşullardan biridir. Uzun zamandır su bakımından zengin süper-Dünyaların, yani Dünya’nın kütlesinden birkaç kat daha büyük ve yüzeyi derin, küresel bir okyanusla kaplı gezegenlerin potansiyel yaşanabilirliği hakkında spekülasyonlar yapılıyordu. Daha sonra yapılan hesaplamalar, çok fazla suyun yaşama düşman olabileceğini öne sürdü. Argüman, bu su dünyalarında egzotik yüksek basınçlı buz tabakasının okyanus ile gezegenin mantosu arasındaki arayüzde hayati maddelerin değişimini engelleyeceğiydi.

Yeni çalışma şimdi farklı bir sonuca varıyor: Derin su katmanlarına sahip gezegenlerin nadir görülmesi muhtemeldir, çünkü süper-Dünyalardaki suyun çoğu şimdiye kadar varsayıldığı gibi yüzeyde değil, çekirdekte hapsolmuştur. Bu, bilim insanlarını nispeten yüksek su içeriğine sahip gezegenlerin bile Dünya benzeri yaşanabilir koşullar geliştirme potansiyeline sahip olabileceğini varsaymaya yönlendiriyor. Dorn ve meslektaşlarının vardığı sonuca göre, çalışmaları bu nedenle yaşamı destekleyebilecek su bakımından zengin dünyaların potansiyel varlığına yeni bir ışık tutuyor.