वर्षानुवर्षे, खगोलशास्त्रज्ञांचा असा विश्वास आहे की पाण्याने समृद्ध ग्रह केवळ प्रणालीच्या “बर्फ रेषेच्या” पलीकडे तयार होऊ शकतात, ज्या प्रदेशात ग्रह निर्मिती दरम्यान बर्फाळ पदार्थ घनरूप होतो. तरीही नुकत्याच झालेल्या निसर्ग अभ्यासाने या आधाराला आव्हान दिले आहे, हे दर्शविते की हायड्रोजन-समृद्ध उप-नेपच्यून, आकाराने पृथ्वी आणि नेपच्यूनमधील ग्रह, उच्च-दाबाच्या रासायनिक अभिक्रियांद्वारे मोठ्या प्रमाणात पाणी आंतरिकपणे निर्माण करू शकतात. हे निष्कर्ष वैज्ञानिक ग्रहांची रचना, राहण्याची क्षमता आणि उत्क्रांती कशी स्पष्ट करतात हे पुन्हा परिभाषित करतात. जर हायड्रोजन आणि वितळलेले खडक एकत्र होऊन पाणी तयार करू शकतील, तर त्यांच्या ताऱ्यांजवळ फिरणारे ग्रह घनदाट वातावरणाच्या खाली खोल महासागर देखील बंदर करू शकतात, ज्यामुळे कोरड्या आणि ओल्या जगांमधील एकेकाळी स्पष्ट फरक गुंतागुंतीचा होईल.
कोरडे ग्रह ओले होऊ शकतात: हायड्रोजन विरोधाभास
उप-नेपच्यून हे नासाच्या केप्लर मोहिमेद्वारे शोधलेल्या सर्वात सामान्य एक्सप्लॅनेटपैकी एक आहेत, जे सामान्यत: पृथ्वीच्या त्रिज्या एक ते चार पट मोजतात. त्यांच्या संरचनेने संशोधकांना दीर्घकाळ गोंधळात टाकले आहे, कारण अनेक घनता पूर्णपणे खडकाळ किंवा संपूर्णपणे वायूच्या निर्मितीशी विसंगत दर्शवतात. पारंपारिकपणे, दोन निर्मितीचे मार्ग प्रस्तावित केले गेले: हायड्रोजन-प्रचंड कोरडे ग्रह ताऱ्याच्या जवळ तयार झाले आणि पाण्याने समृद्ध ओले ग्रह दूर तयार झाले, जे नंतर आतील बाजूस सरकले. अलीकडील निसर्ग अभ्यास तिसरी, अधिक जटिल यंत्रणा प्रकट करते. अत्यंत दाबाने, हायड्रोजन यापुढे पूर्वी विचार केल्याप्रमाणे रासायनिकदृष्ट्या जड नाही. त्याऐवजी, जेव्हा ते ग्रहाच्या कोर-लिफाफ्याच्या सीमेमध्ये वितळलेल्या सिलिकेट खडकाशी संवाद साधते, तेव्हा ते कमी करण्याच्या प्रतिक्रियांना चालना देते ज्यामुळे खडकातून ऑक्सिजन बाहेर पडतो. हा ऑक्सिजन नंतर हायड्रोजनशी संयोग होऊन पाणी तयार करतो, ज्यामुळे ग्रहाच्या अंतर्गत रसायनशास्त्रात मूलभूत बदल होतो.संशोधकांनी असे दाखवून दिले की अगदी माफक हायड्रोजन लिफाफा देखील वजनाने अनेक दहा टक्के पाण्याचे प्रमाण निर्माण करू शकतो, जे पूर्वीच्या सैद्धांतिक अंदाजांपेक्षा खूप जास्त आहे. या यंत्रणेचा अर्थ असा आहे की पाणी उत्पादन हे सूर्यमालेतील थंड, बाहेरील प्रदेशांपुरते मर्यादित नाही, तर ते नैसर्गिकरित्या उष्ण, हायड्रोजन-समृद्ध आतील भागात होऊ शकते.
कोरड्या ग्रहांवर पाणी कसे तयार होते?
डायमंड-एन्व्हिल सेल प्रयोग आणि स्पंदित लेसर हीटिंग वापरून, शास्त्रज्ञांनी खडकाळ गाभा आणि त्याच्या हायड्रोजन आच्छादनाच्या सीमेवर 22 गिगापास्कल्स आणि 4,500 केल्व्हिन पर्यंतचे अत्यंत दाब आणि तापमानाचे अनुकरण केले. ऑलिव्हिन आणि फिलाइट सारखी सिलिकेट खनिजे दाट हायड्रोजनच्या संपर्कात आल्यावर, सिलिकॉन त्याच्या ऑक्सिडाइज्ड अवस्थेपासून (Si⁴⁺) धातूच्या सिलिकॉनमध्ये कमी झाला, ज्यामुळे लोह-सिलिकॉन मिश्रधातू आणि सिलिकॉन हायड्राइड (SiH₄) तयार झाले. या प्रतिक्रियांमधून बाहेर पडणारा ऑक्सिजन हायड्रोजनशी संयोग होऊन मोठ्या प्रमाणात पाणी तयार करतो.या प्रक्रियेची एक्स-रे डिफ्रॅक्शन आणि रमन स्पेक्ट्रोस्कोपीद्वारे पुष्टी करण्यात आली, ज्याने नमुन्यांमध्ये दोन्ही वैशिष्ट्यपूर्ण Si–H आणि O-H बॉण्ड कंपन शोधले. हा पुरावा दर्शवितो की या परिस्थितीत सिलिकेट पूर्णपणे नाहीसे होऊ शकतात आणि नवीन संयुगांमध्ये रूपांतरित होऊ शकतात, तसेच ग्रहांच्या दबावाखाली पूर्वी अशक्य वाटलेल्या प्रमाणात पाणी तयार करू शकतात.या प्रतिक्रिया कदाचित उप-नेपच्यूनच्या कोर-एनव्हलप सीमेवर (CEB) घडतात, ज्याचे वस्तुमान पृथ्वीच्या तीन ते दहा पट आणि दोन ते वीस टक्के वजनाचे हायड्रोजन-हिलियम वातावरण आहे. हायड्रोजन अशा दाबाने वितळलेल्या खडकात सहज विरघळत असल्याने, ते सिलिकेट थरांमध्ये प्रवेश करू शकते आणि अब्जावधी वर्षे पाणी-उत्पादक प्रतिक्रिया टिकवून ठेवू शकते. वितळलेल्या आतील भागात संवहनी मिश्रण या प्रक्रियांना आणखी वाढवते, खोल गाभा आणि वरच्या आवरणातील समतोल राखते.
हायड्रोजन राक्षसांपासून ते सागरी जगापर्यंत
या निष्कर्षांचे परिणाम रसायनशास्त्राच्या पलीकडे ग्रहांच्या उत्क्रांतीपर्यंत आहेत. निसर्ग अभ्यासाने असे सुचवले आहे की हायड्रोजन-समृद्ध उप-नेपच्यून नैसर्गिकरित्या पाण्याने समृद्ध ग्रहांमध्ये विकसित होऊ शकतात कारण अंतर्गत प्रतिक्रिया हळूहळू वातावरणातील हायड्रोजन पाण्यात रूपांतरित करतात. कालांतराने, हायड्रोजन लिफाफा तारकीय किरणोत्सर्गामुळे किंवा थर्मल रनअवेद्वारे नष्ट झाल्यामुळे, उर्वरित ग्रह एखाद्या खोल महासागराच्या आवरणासह किंवा अगदी पृष्ठभागावरील महासागरासह सुपर-पृथ्वीसारखे दिसू शकतात.हा सिद्धांत एकेकाळी पाण्याच्या अस्तित्वासाठी खूप उष्ण मानल्या गेलेल्या प्रदेशांमध्ये सापडलेल्या जवळच्या-पाणी-समृद्ध एक्सोप्लॅनेटच्या वाढत्या संख्येसाठी एक आकर्षक स्पष्टीकरण प्रदान करतो. बर्फाळ प्रदेश आतील बाजूने स्थलांतरित होण्याऐवजी, हे ग्रह अंतर्गत बदलांमुळे पाणी टिकवून ठेवणारे जग बनू शकले असते.अभ्यासाने पुढे असे सुचवले आहे की हायसेन ग्रह, विस्तीर्ण पाण्याच्या थरांवर हायड्रोजन वातावरण असलेले जग, पूर्वीच्या विचारापेक्षा अधिक सामान्य असू शकतात. त्यांचे अस्तित्व हायड्रोजन-प्रबळ उप-नेपच्यून आणि महासागर-आच्छादित सुपर-पृथ्वी यांच्यातील उत्क्रांती मार्गाला जोडते. सत्यापित केल्यास, ही प्रक्रिया उच्च-दाब रसायनशास्त्राद्वारे शासित एकल निर्मिती मॉडेल अंतर्गत दोन पूर्वीच्या भिन्न ग्रह श्रेणी एकत्र करू शकते.
भविष्यातील एक्सोप्लॅनेट संशोधनासाठी अधिवास आणि परिणाम
हा शोध शास्त्रज्ञांनी एक्सोप्लॅनेटच्या राहण्यायोग्यतेचे मूल्यांकन कसे केले यावर खोलवर परिणाम होतो. पारंपारिकपणे पाण्याची उपस्थिती ग्रहाच्या जीवनास समर्थन देण्याच्या क्षमतेसाठी प्रॉक्सी म्हणून काम करते, तरीही या निष्कर्षांवरून असे दिसून येते की पाण्याची विपुलता थंड, बाहेरील प्रदेशात निर्माण होणे किंवा बर्फ रेषेच्या पलीकडे स्थलांतरण सूचित करत नाही. त्याऐवजी, ते पृष्ठभागाच्या खाली खोलवर असलेल्या हायड्रोजन-रॉकच्या परस्परसंवादाद्वारे आंतरिकपणे उद्भवू शकते.असे अंतर्जात पाणी उत्पादन मागील गृहितकांना आव्हान देते ज्याने ग्रहाची रचना त्याच्या उत्पत्तीशी थेट जोडली होती. त्यांच्या ताऱ्यांजवळ पूर्णपणे कोरड्या पदार्थांनी बनलेले ग्रह अजूनही पाण्याने समृद्ध असू शकतात, इतर प्रणालींमध्ये राहण्यायोग्य वातावरणाचा शोध बदलू शकतात.जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (JWST) आणि आगामी हवाई मोहिमांसह वेधशाळांची पुढील पिढी, पाण्याची वाफ, हायड्रोजन आणि सिलिकॉन हायड्राइडसाठी सब-नेप्च्युनियन वायुमंडलीय स्पेक्ट्राची तपासणी करण्यास सक्षम असेल. एंडोजेनिक आणि एक्सोजेनिक वॉटर सिग्नेचरमध्ये फरक केल्याने ही यंत्रणा एक्सोप्लॅनेटरी सिस्टीममध्ये मोठ्या प्रमाणावर कार्य करते की नाही हे तपासण्यात मदत करेल.सखोल रासायनिक प्रक्रियांद्वारे जर पाण्याने समृद्ध वातावरण खरोखरच तयार होऊ शकले, तर ते ग्रहशास्त्रातील एक महत्त्वाचे वळण ठरेल, जेथे राहण्याची क्षमता ग्रहाच्या जन्मस्थानावर कमी आणि त्याच्या अंतर्गत भू-रसायनशास्त्रावर जास्त अवलंबून असते. त्यामुळे निसर्ग अभ्यासाचे निष्कर्ष खगोलशास्त्राच्या मध्यवर्ती प्रश्नांपैकी एक आहे: केवळ पाणी कोठून येते असे नाही तर ग्रह स्वतः ते कसे तयार करू शकतात.हे देखील वाचा 70 दशलक्ष वर्ष जुने हे जीवाश्म अजूनही बदलत्या रंगांनी चमकत आहे; शास्त्रज्ञांना शेवटी का कळते