מעט מאוד כוכבי לכת התגלו כשהם מקיפים שתי שמשות. מחקר חדש מראה שקיים גבול תחתון שמתחתיו המערכת אינה יציבה מספיק עבור כוכבי לכת. במערכות בהן השמשות מקיפות זו את זו בפחות משבוע נראה "מדבר כוכבי לכת"
כמעט כל מי שראה את Star Wars זוכר את שקיעת השמש הכפולה על טטואין. אבל כשעוברים מהדמיון אל השמיים האמיתיים מתגלה פער: על אף שמערכות כפולות נפוצות מאוד ביקום, כוכבי לכת שמקיפים שני כוכבים יחד (circumbinary planets) נדירים בהרבה משציפינו. צוות מחקר תאורטי מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי והאוניברסיטה האמריקנית בבירות, מציע כעת הסבר שמחזיר למרכז הבמה את תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין במערכות בינאריות “צפופות” יחסות כללית יכולה, לאורך זמן, לדחוף כוכבי לכת למסלולים קיצוניים ולא יציבים – עד שהם נזרקים החוצה או נהרסים. (vcresearch.berkeley.edu)
החידה נולדה מהשוואה פשוטה בין ציפיות לתצפיות. אנו יודעים שמבנה של כוכבים כפולים הוא עניין שכיח, ושדיסקות גז ואבק סביב כוכבים צעירים מסוגלות לייצר כוכבי לכת. לכן, אם שיטת הגילוי מזהה מספיק מערכות כאלה, היינו אמורים לראות לא מעט “עולמות דו־שמשיים” קרובים יחסית לזוג הכוכבים, במיוחד במערכות שבהן קל לזהות מעברים (transits). בפועל, התצפיות מצביעות על מדגם קטן במיוחד של כוכבי לכת מאומתים סביב כוכבים בינאריים, ובולט עוד יותר “מדבר” סביב כוכבים בינאריים עם זמן הקפה קצר מאוד – בערך עד שבוע . (arXiv)
מה בעצם עושה היחסות הכללית במערכת של שני כוכבים וכוכב לכת?
כדי להבין את המנגנון צריך להתמקד בתופעה שנשמעת טכנית אבל היא לב העניין: דחיפה של קו האפסידות(apsidal precession) – סיבוב איטי של הכיוון שבו המסלול האליפטי “מצביע” (נקודת הפריאסטרון, כלומר הקרבה המקסימלית, זזה בהדרגה). במערכת בינארית, גם זוג הכוכבים וגם כוכב הלכת יכולים לחוות דחיפה כזו, אבל מסיבות שונות ובקצבים שונים.
כוכבים בינאריים “צפופים” מושפעים משמעותית מיחסות כללית: ככל ששני הכוכבים קרובים יותר זה לזה, כך הקדימה היחסותית של מסלול הכוכבים נעשית מהירה יותר. במקביל, מערכות כאלה אינן בהכרח נולדות צפופות. הן יכולות להתכווץ בהדרגה: תחילה דרך אינטראקציות עם גז בתקופת ההיווצרות, ובהמשך במשך מיליארדי שנים באמצעות כוחות גאות שממשיכים לקרב את הכוכבים זה לזה.
כוכב לכת שמקיף את שני הכוכבים מרגיש “כוח כבידה משתנה” כי מקור הכבידה אינו נקודתי אחד אלא זוג שמסתובב. זה גורם למסלולו לעבור קדימה בעיקר מסיבות ניוטוניות (בפרט בגלל התרומה ה”מרובעת” של שדה הכבידה של הכוכבים הבינאריים). אבל כאן מגיע השינוי: כאשר זוג הכוכבים מתכווץ והופך צפוף יותר, מבחינת כוכב הלכת הכוכב הבינארי הרחוק נראה יותר ויותר כמו מסה אחת מרוכזת, ולכן ההפרעה הניוטונית שמאיטה או מסובבת את המסלול יכולה להיחלש– כלומר קצב הדחיפה קדימה של כוכב הלכת יכול לרדת.
המשמעות הדרמטית היא שנוצר מצב שבו קצב הדחיפה של הכוכב הבינארי (שמטפס בגלל יחסות כללית) וקצב הדחיפה של כוכב הלכת (שיכול לרדת) נפגשים. ברגע הזה המערכת עשויה להיכנס לתהודת אפסידות (apsidal resonance). לפי החישובים והסימולציות של המחקר, התהודה יכולה “לשאוב” תנע זוויתי ממסלול כוכב הלכת ולהפוך אותו בהדרגה לאליפטי יותר ויותר – כלומר להעלות את האקסצנטריות .
מה קורה אחרי הלכידה לתהודה?
כאשר האקסצנטריות עולה, כוכב הלכת מתחיל לחוות קיצוניות: בנקודה אחת במסלול הוא מתרחק מאוד, ובנקודה אחרת הוא מתקרב בצורה מסוכנת אל זוג הכוכבים. כאן נכנסת לתמונה “רצועת אי־יציבות” מוכרת סביב כוכבים בינאריים: אזור שבו אינטראקציות של שלושה גופים (שני כוכבים וכוכב לכת) נעשות כאוטיות ומפרקות מסלולים. אם הפריאסטרון של כוכב הלכת חודר לאזור הזה, התסריטים האפשריים הם שניים: או שכוכב הלכת מופרע ונזרק החוצה מהמערכת, או שהוא מתקרב מספיק כדי לעבור הרס גאותי/בליעה בידי אחד הכוכבים.
הנקודה החשובה במחקר היא שהמנגנון הזה אינו דורש “שחקן שלישי” כמו כוכב שכן שמטלטל את המערכת או מפגש מקרי בצביר. זה תהליך פנימי וטבעי שמופעל פשוט משום שזוג הכוכבים הבינאריים הולך ומתהדק, והיחסות הכללית משנה את קצב הדחיפה שלו. החוקרים מדווחים שבמערכות של כוכבים בינאריים מתכווצים, “שמונה מתוך עשרה” כוכבי לכת עלולים להיתקל בתהודה ולהילכד בה; ומתוך אלה, “שלושה מתוך ארבעה” מסיימים בהשמדה (ולא רק פליטה).
אם מוסיפים לכך את עניין הזמנים, מתקבלת תמונה עקבית עם התצפיות: הכוכבים יכולים לחיות מיליארדי שנים, אבל שלב ההרס אחרי ההגעה לתנאים המתאימים יכול להיות קצר יחסית בקנה־מידה אסטרונומי (עשרות מיליוני שנים). כלומר, גם אם עולמות “דו־שמשיים” נוצרים מלכתחילה, רבים מהם פשוט לא שורדים את שלב ההתהדקות של זוג הכוכבים הבינארי – ולכן היום נראה “מדבר” סביב כוכבים בינאריים עם זמן הקפה של בערך שבוע או פחות.
למה השורדים כמעט בלתי נראים לנו?
המחקר לא טוען שכוכבים בינאריים חסרים כוכבי לכת לחלוטין. להפך: הוא מרמז שכוכבי לכת ששרדו הם בעיקר כאלה שנמצאים במסלולים רחוקים יותר, מחוץ לאזור שבו התהודה ואי־היציבות “מנקים” את הסביבה. אלא שכאן מופיע סינון תצפיתי: שיטות הגילוי המרכזיות של השנים האחרונות, שמסתמכות על מעברים, מעדיפות מסלולים קרובים (כי אז הסיכוי למעבר גבוה והאירועים חוזרים לעיתים קרובות). מסלול רחוק פירושו גם פחות מעברים וגם סיכוי קטן בהרבה שזווית הראייה שלנו תאפשר מעבר בכלל – ולכן ייתכן שחלק ניכר מהאוכלוסייה פשוט “מתחבא” מאיתנו.
מנקודת מבט רחבה יותר, למנגנון יש גם השלכות מעניינות: אם חלק מהכוכבים מאבדים כוכבי לכת דרך פליטה, זה עשוי לתרום לאוכלוסיית כוכבי הלכת הנודדים (rogue planets) שאינם קשורים לשום כוכב. בנוסף, החוקרים מציינים שהם מנסים ליישם רעיונות דומים בסביבות קיצון אחרות, למשל מערכות סביב זוגות חורים שחורים על־מסיביים, ואפילו כדי להבין מדוע כוכבי לכת נדירים סביב מערכות של פולסרים כפולים. (vcresearch.berkeley.edu
בסופו של דבר, זהו עוד מקרה שבו יחסות כללית – שנולדה כדי להסביר חריגות עדינות במסלולים – הופכת לגורם מכריע בדינמיקה ארוכת־טווח של מערכות פלנטריות. לפעמים היא מייצבת ולפעמים היא מערערת, אבל היא בהחלט לא רק תיקון קטן על חוקי ניוטון, אלא שחקן שמסוגל לעצב את מה שנראה לנו בשמיים.
עוד בנושא באתר הידען:
