Gezegenler İçin Tek İzin Verilen Şekil Küresel Şekil mi?

Tüm yıldızlar, yıldızsal cisimler, gezegenler ve diğer büyük astronomik objeler küresel veya neredeyse küresel formlar alır. Ama bu bir tesadüf mü yoksa kozmik bir yasa mı? Dünyadan başlayalım! İnanması zor ama insanların ilk kez Dünya'nın yuvarlak şeklini keşfettiği ve yarıçapını ölçmeyi başardığı 2000 yıldan fazla zaman geçti. Ay ve güneş yuvarlak olan tek cisimler değil; tüm gezegenler de öyledir. Güneş sistemimizdeki birçok asteroit bile bu "yuvarlak" şekli paylaşır. Jüpiter'in en büyük dört uydusu, Satürn'ün en büyük beş uydusundan dördü, Uranüs'ün en büyük beş uydusu ve Neptün'ün en büyük uydusu da küreseldir. Benzer şekilde, cüce gezegenler Ceres, Eris ve Pluto, Kuiper Kuşağı ve Oort Bulutu'ndaki birçok obje de küreseldir. 200 kilometre civarında yarıçapı olan bazı uzak cisimler yuvarlakken, Neptün'ün uydusu Proteus ve Satürn'ün uydusu Iapetus, bunlardan çok daha büyük olmalarına rağmen öyle değildir. Bu kadar büyük ve devasa objelerin çoğu neden doğal olarak yuvarlak? Belirli bir boyutun üstündeki tüm cisimlerin neden küresel hale geldiği? En büyük objeler için başka şekillerin var olması mümkün değil mi? Bu makale, bir gök cisminin kendi kendini çekim kuvvetinin şekil oluşturmadaki rolünü keşfeder.

Fizik Ne Söylüyor?

Anlaşılması gereken ilk şey, evrenimizi yöneten temel kuvvetlerin yasaları altında, büyük ya da küçük herhangi bir sıradan maddenin, kümelenip birleşebileceğidir. Yıldız sistemlerinde ve yıldızlar arası uzayda atomları ve hatta atom altı parçacıkları, atom çekirdekleri ya da serbest elektronlar bolca bulunur. Atomlar, diğer sistemlerin parçaları olarak serbestçe var olabilen veya büyük ve küçük miktarlarda kümelenebilen moleküller oluşturmak için bağlanır. Öte yandan, nükleer ve elektromanyetik kuvvetler bir rol oynar ve ikisi de küçük ölçeklerde diğer tüm kuvvetleri kolayca gölgede bırakabilir. Ancak büyük miktarda kütle bir araya geldiğinde, daha zayıf kuvvet galip gelir: yerçekimi. Bir yerde yeterli miktarda sıradan madde toplarsanız—türüne, fazına, kökenine veya doğasına bakılmaksızın—çekim gücü ile bağlı tek bir cisim haline gelir. Bu cisimler küçük olduklarında, küçük toz benzeri yapılar oluşturmaya meyillidirler. Tane benzeri bu parçacıklar aslında yerçekimi ile değil, elektrostatik kuvvetlerle bir arada tutulur. Sadece güneşe daha yakın olmak, güneş radyasyonu ve güneş rüzgarına maruz kalmak onları yok etmeye yeterlidir. Daha sağlam bir şey istiyorsanız, yerçekiminin daha baskın hale gelmesine izin veren daha büyük kütleleri düşünmeniz gerekecek.

Neden?

Ama bu küçük cisimler neden yuvarlak olmuyor? Bunun nedeni, atomlar ve moleküller arasındaki kuvvetlerin—elektromanyetik kuvvetlerle yönetilen—bu küçük ölçekteki yerçekimi kuvvetlerinden daha güçlü olmasıdır. Yerçekimi her zaman çekicidir ve maddenin her parçacığını kütle merkezine doğru çeker, daima mevcut olur, ancak atomlar ve moleküller arasındaki diğer kuvvetler, onların şekil ve kompozisyonunu tanımlamaya yardımcı olabilir. Buz kristalleri örgü yapılar içinde oluşur, amorf kumtaşı oluşabilir ve toz parçacıkları toprağa veya hatta katı cisimlere kümelenebilir, vb... Büyük bir cisime veya bir grup cisme yerçekimi uygulandığında, basınç uygular. Bu basınç yeterli ise, cismi daha enerjik olarak kararlı bir şekle dönüştürecektir. Buna hidrostatik denge denir. Belirli bir boyuttan öte, bu, tek mümkündür. Bir küp, bir piramit, düz bir disk ya da doğanın izin verdiği herhangi bir şekili oluşturabilirsiniz, ancak cisim kitlesel hale geldiğinde ve yerçekimi kuvveti büyük olduğunda, o başlangıçtaki şekli koruyamayacak ve küresel veya neredeyse küresel hale gelecektir. Çünkü yerçekimi kuvveti her zaman cismin kütle merkezine doğru yöneliktir.

Fiziksel Eşikler Nerede?

Öyle görünüyor ki eğer bir cismin kütlesi 10^18 kilogram (yaklaşık bir katrilyon ton) altındaysa, yarıçapı 100 kilometreden daha az olacak ve bu, yerçekiminin şeklini yuvarlak yapmak için ihtiyaç duyduğu şeyden daha azdır. Ancak bu eşiği aşacak kadar madde toplanırsa, cisim doğal olarak yuvarlak hale gelebilir. Örneğin, Satürn'ün uydusu Mimas'ın yarıçapı 200 kilometreden az, ancak yuvarlaktır. Aslında, bilinen en küçük yuvarlak astronomik cisimdir. Bu şeklin, Mimas'ın Satürn'e en yakın en büyük uydu olmasıyla ilişkili olarak, Mimas'ın kendi kendine yerçekimi nedeniyle olduğu düşünülmektedir ve halkalı gezegen etrafındaki yörüngesini 24 saatten kısa sürede tamamlar. Mimas, aşırı derecede düşük yoğunluktadır ve su buzu yoğunluğundan zar zor daha yoğundur, bu da büyük ölçüde uçucu materyallerden oluştuğunu gösterir: yerçekimi kuvveti altında kolayca bozunan düşük yoğunluklu buz. Mimas, çoğunlukla kayalardan veya metallerden oluşsaydı, toplanmak için daha büyük ve daha kütleli olması gerekecekti: 400 veya 500 kilometre yarıçapına ulaşması gerekiyordu. Hidrostatik dengeyi sağlamak için yarıçapının yaklaşık 800 kilometre olması gerekir.

Cüce gezegenler Eris ve Pluto hidrostatik dengededir. Dünya'nın Ay'ı, Neptün'ün uydusu Triton, Satürn'ün uydusu Titan ve Jüpiter'in dört büyük uydusu da hidrostatik dengede bulunur.

"Küresel şekil" kavramının sadece birinci dereceden bir yaklaşım olduğunu burada belirtmek gerekir. Dünya da dahil olmak üzere gerçek cisimlerde, yerçekiminin ideal bir dünyada yaratacağı şekilden sapmalara yol açan belirgin özellikler hala bulunmaktadır.

Herhangi bir cismin nihai şeklini belirlemede birçok faktör rol oynasa da, cisimlerin düştüğü sadece üç ana kategori vardır. Bir cisim kütle olarak çok düşükse veya fiziksel bileşimlerine göre çok küçükse, oluşum sürecinde tesadüfen sahip olduğu durduğu her şekli alacaktır. Pratikte, yaklaşık 200 kilometre yarıçapından daha küçük olan tüm cisimler, bileşimlerinden bağımsız olarak bu özelliğe sahiptir. Bir cisim daha büyük ve daha kütleliyse, bu başlangıçtaki şekil neredeyse küresel bir forma yeniden şekillendirilecektir, bu eşik cismin bileşimlerine bağlı olarak yarıçapın 200 ile 800 kilometre arasında değişiklik gösterdiği bir yere düşer. Son olarak, bir cisim 800 kilometre yarıçapını aşarsa, hidrostatik dengede olacaktır: yerçekimi ve rotasyonun, şekilleri belirlediği, yalnızca genel şeklin üzerine eklenen küçük kusurlar (dağlar, vadiler ve çatlaklar gibi) olan kadar büyük. Kütle açısından, maksimum, Dünya'nın toplam kütlesinin binde birine karşılık gelir. Yerçekimi bu kütlenin tamamını toplarsa, sonuçta ortaya çıkan cisim her zaman hidrostatik dengede olmalıdır.