Çakıl birikimi (astronomi)

Çakıl birikimi, çapı santimetreden metreye kadar değişen parçacıkların, diskte bulunan gazdan kaynaklanan aerodinamik sürükleme ile güçlendirilen bir protogezegensel diskte gezegenimsiler halinde birikmesidir. Bu sürükleme, küçük cisimlerin bazılarının daha büyük cisimlerin yanından geçerken göreceli hızlarını azaltarak kütle çekiminden kaçmasını engeller. Bu taşlar daha sonra spiral çizerek ya da çeken cismin yüzeyine doğru yerleşerek birikir. Bu süreç, büyük cisimlerin malzeme biriktirebileceği alanı artırarak büyümeyi hızlandırır. Gezegenimsi cisimlerin bu yolla hızlı büyümesi, gaz diskinin dağılmasından önce dış Güneş Sistemi'nde dev gezegen çekirdeklerinin oluşmasını sağlar. Buz çizgisini geçtikten sonra su buzunu kaybeden çakıl taşlarının boyutlarındaki azalma ve Güneş'ten uzaklaştıkça azalan gaz yoğunluğu, iç Güneş Sistemi'ndeki çakıl taşı yığılma oranlarını yavaşlatarak daha küçük karasal gezegenlerin, küçük kütleli Mars cisimlerinin ve düşük kütleli asteroit kuşağının oluşmasına neden olur.

Boyutları bir santimetreden bir metreye kadar değişen çakıl taşları, bir protogezegensel diskte yüksek bir oranda birikir. Bir protogezegensel disk gaz, toz, çakıl taşları, gezegenimsiler ve protogezegenler gibi katı maddelerin karışımından oluşur.^[1] Bir protogezegensel diskteki gaz basınçla desteklenerek bunun sonucunda büyük nesnelerden daha yavaş bir hızda yörüngede döner.^[2] Gaz, katı maddelerin hareketlerini boyutlarına bağlı olarak değişen şekillerde etkiler. Buna göre, toz gazla birlikte hareket eder ve en büyük gezegenimsilergazdan büyük ölçüde etkilenmeden yörüngede döner.^[3] Çakıl taşları ara bir durumdur, aerodinamik sürüklenme bunların diskin merkezi düzlemine doğru yerleşmelerine ve alt keplerian hızda yörüngede dönmelerine neden olarak merkezi yıldıza doğru radyal sürüklenmeye yol açar.^[4] Düşük hızları ve içe doğru sürüklenmelerinin bir sonucu olarak çakıl taşları sıklıkla gezegenimsi cisimlerle karşılaşırlar. Eğer hareketleri gazdan etkilenmeseydi, kütle çekim odaklanması ve gezegenimsilerin kesiti tarafından belirlenen sadece küçük bir kısmı gezegenimsiler tarafından biriktirilebilirdi.

Geri kalanlar hiperbolik yollar izleyerek, gezegenimsiye doğru yaklaşırken hızlanacak ve uzaklaşırken yavaşlayacaklardır. Ancak, hızları arttıkça çakıl taşlarının maruz kaldığı sürüklenme artar ve bu da bazılarını gezegenimsiye kütleçekimsel olarak bağlanacak kadar yavaşlatır.^[5] Bu çakıl taşları gezegenimsinin yörüngesinde dönerken enerji kaybetmeye devam ederken gezegenimsiye doğru spiral çizmelerine ve gezegenimsi tarafından biriktirilmelerine neden olur.^[6][7]

Küçük gezegenimsiler gazın göreli hızıyla yakınlarında sürüklenen çakıl taşlarını biriktirirler. Gezegenimsinin Bondi zamanına benzer durma sürelerine sahip olan çakıl taşları, Bondi yarıçapının içinden biriktirilir. Bondi yarıçapı,^[9] hareket eden bir cismin çekilebileceği alanın yarıçapıdır.^[10] Cismin durma süresi, gaz sürüklemesi nedeniyle bir nesnenin yavaşlaması için üstel zaman ölçeğindedir. Bondi yarıçapı ve Bondi süresi gezegenimsi cismin boyutuyla doğru orantılı olarak arttığından, durma süresi de çakıl taşının boyutuyla doğru orantılı olarak arttığından, toplanacak optimum çakıl taşı boyutu gezegenimsi cismin boyutuyla doğru orantılı olarak artar.

Durma süresinin Bondi süresine oranı 0,1'den az olan daha küçük nesneler, gezegenimsi cismin yanından geçen akıştan çekilir ve karekökü alınan oran kadar daha küçük bir yarıçaptan biriktirilir. Daha büyük, zayıf bağlanmış çakıl taşları da üç cisim etkisi nedeniyle daha az etkili bir şekilde biriktirilir ve biriktirilen yarıçap 10 ile 100 oranları arasında hızla azalır. Bondi yarıçapı gezegenimsinin kütlesiyle orantılıdır, dolayısıyla göreli büyüme oranı kütlenin karesiyle orantılıdır ve bu da düzensiz büyümeyle sonuçlanır.^[11] Gezegenimsinin etrafındaki gazın aerodinamik sapması çakıl birikiminin verimliliğini azaltır ve 100 km'de maksimum büyüme zaman ölçeğiyle sonuçlanır.^[12]

İç güneş sisteminde kabaca Ceres ve dış güneş sisteminde Plüton kütleleri gibi bir geçiş kütlesinin üzerindeki daha büyük gezegenimsiler,^[13] Hill yarıçaplarından Stoke sayıları oranı bire yaklaşan sayıda çakıl taşları biriktirirler. Bu bağlamda Stokes sayısı, durma süresi ile keplerian frekans değerlerinin çarpımıdır. Küçük gezegenimsilerde olduğu gibi, çakıl taşlarının biriktiği yarıçap, daha küçük ve daha büyük boyutlu çakıl taşları için azalır. Büyük gezegenimsi cisimler için en uygun boyut, yığılma yarıçapı ve çakıl taşlarının radyal sürüklenme oranlarının bir kombinasyonuna bağlı olarak santimetre cinsinden ölçülür. Nesneler büyüdükçe yığılma, çakıl taşı diskinin kalınlığının bir kısmından yığılma ile 3 boyutludan, çakıl taşı diskinin tüm kalınlığından yığılma ile 2 boyutluya değişir. İki boyutlu yığılmadaki göreli büyüme oranı ${\displaystyle mass^{2/3}}$ ile orantılıdır ve bu da oligarşik büyümeye ve benzer büyüklükteki cisimlerin oluşumuna yol açar.^[11] Çakıl yığılması Dünya kütleli bir çekirdeğin kütlesinin 5500 yıl^[13] gibi kısa bir sürede iki katına çıkmasına neden olabilir, bu da dev gezegenlerin çekirdeklerinin büyüme sürelerini gezegenimsi yığılmaya göre 2 veya 3 kat azaltır.^[11] Bu büyük kütleli cisimlerin yerçekimsel etkisi gaz diskinde basınç gradyanını değiştiren kısmi bir boşluk yaratabilir.^[13] Gazın hızı daha sonra boşluğun dışında süper keplerian hale gelir ve çakıl taşlarının içe doğru sürüklenmesini durdurur ve çakıl taşı birikimini sona erdirir.^[3]

Çakıl taşlarının oluşumu yavaşsa, çakıl taşı birikimi dış Güneş Sistemi'nde birkaç gaz devinin oluşumuna yol açar. Gaz devlerinin oluşumu gezegen biliminde uzun süredir devam eden bir sorundur.^[14] Dev gezegenlerin çekirdeklerinin gezegen disklerinin çarpışması ve birleşmesi yoluyla birikmesi yavaştır ve gaz diski dağılmadan önce tamamlanması zor olabilir.^[1] Bununla birlikte, ön gezegenin çarpışma yoluyla oluşumu, bir protoplanetary diskin tipik ömrü içinde gerçekleştirilebilir.^[15][16] En büyük gezegenimsiler çakıl taşı yığılması yoluyla çok daha hızlı büyüyebilir,^[11] ancak çakıl taşlarının oluşumu veya dağıtımı hızlıysa birkaç dev gezegen çekirdeği yerine çok sayıda Dünya kütleli gezegen oluşur.^[17] En büyük nesneler Dünya kütlesine yaklaştıkça çakıl taşlarının yığıldığı yarıçap Hill yarıçapı ile sınırlıdır.^[18] Bu, komşularına göre büyümelerini yavaşlatır ve birçok nesnenin benzer çakıl kütlelerini yığmasına izin verir.

Bununla birlikte, çakıl taşlarının oluşumu veya dağıtımı yavaşsa, büyüme zaman ölçekleri yerçekimsel olarak karıştırmak için gereken süreden daha uzun olur. En büyük gezegenimsiler daha sonra küçük gezegenimsilerin eğimlerini ve eksantrikliklerini uyarır.^[19] Eğimli yörüngeleri, küçük gezegenimsileri yörüngelerinin çoğu boyunca dar çakıl diski dışında tutarak büyümelerini sınırlar.^[17] Dengesiz büyüme dönemi daha sonra uzar ve en büyük nesneler çakıl taşlarının önemli bir kısmını biriktirebilir ve dev gezegen çekirdeklerine dönüşebilir.^[20] Çekirdekler büyüdükçe bazıları gaz diskinde kısmi boşluklar yaratmaya yetecek kütlelere ulaşır, basınç gradyanını değiştirir ve çakıl taşlarının içe doğru sürüklenmesini engeller. Bu durumda çakıl taşlarının birikmesi durur ve çekirdeği çevreleyen gaz zarfı soğuyup çökerek gazın hızla birikmesine ve bir gaz devinin oluşmasına olanak sağlar. Çakıl diskindeki boşlukları temizleyecek kadar büyüyemeyen çekirdekler sadece küçük gaz zarfları biriktirebilir ve bunun yerine buz devi olurlar.^[3] Çakıl biriktirme yoluyla hızlı büyüme, çekirdeklerin yıldıza çok yakın göç etmekten kaçınırken gaz devleri oluşturan büyük gaz zarfları biriktirecek kadar büyümesine izin verir. Simülasyonlarda Jüpiter ve Satürn gibi soğuk gaz devlerinin, ilk tohumlarının 20 AU'nun ötesinde büyümeye başlaması durumunda çakıl taşı birikimi yoluyla oluşabilecekleri gözlemlenmiştir. Bu uzak oluşum, Jüpiter'in soy gazlar bakımından zenginleşmesi için potansiyel bir açıklama sunmaktadır.^[21][22] Ancak, özel oluşum modelleri, çakıl taşı yığılması yoluyla büyümeyi güneş sisteminin buz devleri Uranüs ve Neptün'ün nihai kütlesi ve bileşimi ile bağdaştırmanın zor olduğunu göstermektedir.^[23][24]

Karasal gezegenler, çakıl taşları buz hattını geçerken su buzunun süblimleşmesi nedeniyle dev gezegenlerden çok daha küçük olabilir. Çakıl taşlarının radyal sürüklenmesi onları su buzunun süblimleşerek silikat tanelerini serbest bıraktığı buz hattına getirir.^[25] Silikat taneleri buzlu tanelerden daha az yapışkandır ve çarpışmalar sırasında sıçrama veya parçalanma ile daha küçük çakıl taşlarının oluşmasına neden olur.^[26] Bu daha küçük çakıl taşları gaz diskindeki türbülans nedeniyle daha kalın bir diske dağılır. Karasal bölge boyunca sürüklenen katı maddelerin kütle akışı da su buzu kaybıyla yarı yarıya azalır. Bu iki faktör bir arada, dış Güneş Sistemi'ne kıyasla iç Güneş Sistemi'ndeki gezegenimsiler tarafından kütle biriktirme hızını önemli ölçüde azaltır. Sonuç olarak, iç Güneş Sistemi'ndeki Ay kütleli gezegenimsi tohumlar yalnızca Mars kütlesi civarına kadar büyüyebilirken, dış Güneş Sistemi'ndeki dev gezegenlerin çekirdekleri Dünya kütlesinin 10 katından fazlasına kadar büyüyebilirler.^[25][26] Bunun yerine akış kararsızlıkları yoluyla oluşan gezegenimsi gezegenler incelenirse iç Güneş Sistemi'nde de benzer sonuçlar elde edilebilir. Asteroit kuşağında en büyük gezegenimsiler büyüyerek Mars kütleli cisimlere dönüşür. Bu cisimler daha küçük gezegenimsileri harekete geçirerek eğimlerini artırır ve çakıl diskinden ayrılmalarına neden olur. Bu küçük gezegenimsilerin büyümesi bu noktada durur ve boyut dağılımları mevcut asteroit kuşağınınkine yakın bir şekilde donar. Bu süreç sırasında yığılma verimliliğinin çakıl taşı boyutuyla değişmesi, ilkel meteoritlerde gözlemlenen kondrüllerin boyutlarının çeşitlenmesine neden olur.^[27]

Karasal bölgede çakıl taşı birikimi daha küçük bir rol oynar.^[26] Burada büyüme, izole Ay kütleli cisimlerin oligarşik bir konfigürasyonu oluşana kadar çakıl taşı ve gezegenimsi birikimin bir karışımından kaynaklanır. İçe doğru sürüklenen kondrüllerin birikimine bağlı olarak devam eden büyüme, yörüngeleri istikrarsızlaşana kadar bu cisimlerin kütlesini artırır, cisimler arasında dev çarpışmalara ve Mars büyüklüğünde yeni cisimlerin oluşumuna yol açar.^[26][27] Buzlu çakılların içe doğru sürüklenmesinin, buz hattı karasal bölgeye taşınmadan önce Jüpiter'in oluşumuyla kesilmesi, bu cisimlerden oluşan gezegenlerin su fraksiyonunu sınırlayacaktır.^[28]

Mars'ın küçük kütlesi ve düşük kütleli asteroit kuşağı, protogezegensel diskteki gaz yoğunluğu azaldıkça çakıl birikiminin daha az verimli hale gelmesinin bir sonucu olabilir. Güneş Sistemi'nin oluştuğu protogezegensel diskin yüzey yoğunluğunun Güneş'ten uzaklaştıkça azaldığı ve kalınlığının Güneş'ten uzaklaştıkça arttığı düşünülmektedir.^[29] Sonuç olarak, gazın yoğunluğu ve diske gömülü çakıl taşları tarafından hissedilen aerodinamik sürükleme mesafeyle birlikte önemli ölçüde azalmış olacaktır. Eğer çakıl taşları büyükse, aerodinamik sürükleme çakıl taşlarının en büyük nesnelerle karşılaşmaları sırasında yakalanmaları için çok zayıf hale geldiğinden, çakıl taşı birikiminin etkinliği Güneş'ten uzaklıkla birlikte azalacaktır. Dünya'nın yörünge mesafesinde hızla büyüyen bir nesne Mars'ın yörüngesinde sadece yavaş büyür ve asteroit kuşağında çok az büyür.^[6] Jüpiter'in çekirdeğinin oluşumu da çakıl diskinde bir boşluk yaratarak ve çakılların buz hattının ötesinden içe doğru sürüklenmesini durdurarak asteroit kuşağının kütlesini azaltabilir. Asteroit kuşağındaki nesneler çakıl taşlarından erkenden mahrum kalırken, karasal bölgedeki nesneler asteroit bölgesinden sürüklenen çakıl taşlarını biriktirmeye devam ederler.^[29]