פתיחת צוהר למערכות שמש

סקירה אודות הדרך שבה מגלים כוכבי לכת חדשים מחוץ למערכת השמש, ומה צפוי לנו בעתיד בזכות כלי תצפית חדשים

 מבוא

מזה 10 שנים נעשים מחקרים פורצי דרך באסטרונומיה הפלנטרית. אין הכוונה לכוכבי שבסביבתנו, בתוך מערכת השמש בה אנו חיים, אלא לכוכבי לכת המקיפים שמשות אחרות. עד היום התגלו למעלה מ-200 כוכבי לכת וזאת רק ההתחלה. רובם של כוכבי הלכת שנמצאו, קנה המידה לגודלם הוא צדק וזאת בשל אילוצים טכנולוגיים. החלום הרטוב של האסטרונומים הוא מציאת כוכבי לכת בסדר גודל של כדור הארץ וזאת מהסיבה שבהם קיימים סיכויים למצוא חיים כפי שאנו מכירים. לא קשה לנחש מה תחוש הקהילה האסטרונומית כאשר תפותח טכנולוגיה שתאפשר צפייה ישירה בכוכבים אלה בדומה להפניית טלסקופ מכדור הארץ לעבר המאדים. הקמצוץ של המידע הנחשף כבר עתה בפני החוקרים מעורר שאלות כבדות משקל לגבי מערכת השמש שלנו ובפרט באשר לאותן מערכות שמש שמתחילות להחשף. אותו מידע מועט הנמצא בידי הקהילה האסטרונומית מאפשר ביצוע טקסונומיה ראשונית.

שיטות גילוי

כיום מקובלות שלוש שיטות לגילוי כוכבי לכת והן גילוי באמצעות רטט, גילוי באמצעות עידוש כבידתי וגילוי באמצעות טרנזיט. השיטה המובילה ואשר באמצעותה התגלו מרבית כוכבי הלכת החדשים היא שיטת הרטט (wobbling). הנחת העבודה העומדת בבסיסה של שיטה זו היא שכוכבי לכת מסדר גודל של צדק הגם שהם זעירים לעומת הכוכבים אותם הם מקיפים, הם עדיין בעלי השפעה עד כדי יצירת רטט בשמש שלהם וכתוצאה מכך שהם מושכים אותה אליהם במידת מה ואת הרטט הזה אפשר לאבחן באמצעות ציוד ספקטרוסקופי. בשל תנועתם הם יוצרים מחזוריות ברטט של השמש שלהם. כאשר הרטט “מתקרב” לכדור הארץ ההשפעה מורגשת בהיסט לכחול וכאשר הרטט “מתרחק” ההיסט מורגש בהיסט לאדום. ממשך המחזוריות ועוצמת הרטט אפשר לקבל נתוני יסוד לגבי כוכב הלכת. במידה ומתגלה רטט מחזורי נוסף אפשר להניח שהתגלה עוד כוכב לכת. זהו למעשה שימוש באפקט דופלר המוכר לכל פיסיקאי ואסטרונום.

השיטה השניה היא מיקרו-עידוש כבידתי (gravitational microlensing). שיטה זו מתייחסת לאותם מקרים בהם השדה המגנטי של כוכב מתנהג כמו עדשות. הוא מגביר את עוצמת האור של הכוכב הנמצא ברקע. אם לכוכב הנמצא קרוב לכדור הארץ (ביחס לכוכב הנמצא ברקע) יש כוכב לכת, אזי השדה הכבידתי של כוכב הלכת עצמו מעצים את יכולת העידוש ומההפרשים בין עוצמות ההגדלה ניתן ללמוד על כוכב הלכת.

שיטה אחרת לגילוי כוכבי לכת היא המצאותם בין השמש שלהם לבין כדור הארץ תופעה המוגדרת כטרנזיט בדומה לטרנזיט של נוגה ומרקורי. מכיון שמדובר במרחקים גדולים למאוד, שנות אור, הם מעמעמים את האור של השמש שלהם. ההפרשים בין עוצמת האור של השמש לפני הטרנזיט ובזמן התרחשותו ומחזוריות התופעה יכולים לתת מידע ראשוני לגבי כוכבי לכת אלה.

שיטה נוספת שכדאי לחשוב עליה היא רוח השמש. לשם כך נקבל כהנחה שלכוכבי לכת אלה שדות מגנטיים וכי גם בשמשות שלהם קיימת תופעה של רוח שמש. סביר להניח שקיימת אינטראקציה בין רוח השמש לשדות המגנטיים של כוכבי לכת אלה בדומה למתרחש במערכת השמש שלנו. בהינתן כוכבי לכת גדולים למאוד (הנמדדים במסות צדק), האינטראקציה שלהם תהיה גדולה למשל מאשר זו שבין השדה המגנטי של צדק לשמש. בטלסקופים אופטיים קשה לעקוב אחרי אינטראקציה זו, אך יתכן וזה אפשרי באינפרה אדום ו/או באולטרה סגול. יכול להיות שהתוצר הנראה יהיה מעין הבהובים (fluctuating). ההבהובים יראו במעין תצורה גושית. אם כוכב הלכת רחוק דיו מהשמש שלו למשל 5 יחידות אסטרונומיות, אפשר יהיה להבחין בתנועתו המסלולית ומכאן אפשר יהיה לחשב את גודלו ומסתו. בשיטה זו אפשר להבחין במספר כוכבי לכת בו זמנית.

טקסונומיה

עד כה היינו רגילים למבנה אחד של מערכת שמש. כוכבי לכת ארציים סמוך לשמש, רצועת אסטרואידים, כוכבי לכת גזיים ורצועת קופייר. המוסכמה הכללית היתה שכוכבי הלכת הגזיים תמיד מרוחקים מהשמש. והנה ברגע שהתחילו להתגלות כוכבי לכת חדשים, רבים מהם קיבלו את השם Hot Jupiters ולא בכדי, חלקם נמצא סמוך מאוד לשמש שלהם ובשל קרבתם זו הטמפרטורות עליהם גבוהות מאוד, מאות מעלות צלזיוס. בשל קרבתם הרבה לשמש שלהם, זמן ההקפה שלהם הוא קצר למאוד והוא נמדד בימים ספורים ובגילויים האחרונים נמצאו כאלה שזמן ההקפה נמדד בשעות. כוכב הלכת SWEEPS-10 נמצא במרחק 1, 184, 100 ק”מ מהשמש שלו, מקיף אותה פעם ב-10 שעות והמסה שלו 1.6 מסות צדק (4. 10. 06 : “Hubble finds” web ). לכוכב Coranae Boralies כוכב לכת שמסתו 1. 1 מסות צדק, מרחקו ממנו 0. 23 יחידות אסטרונומיות והוא מקיף אותה פעם ב- 39. 6 ימים. לכוכב 115019HD כוכב לכת שהמסה שלו לפחות 3. 4 מסות צדק, מקיף אותו פעם ב- 18. 3 יום ומרחקו ממנו 0. 14 יחידות אסטרונומיות. לכוכב 436 Gliese כוכב לכת שהמסה שלו 0. 071 מסות צדק המרוחק ממנו 4. 5 מליון ק”מ (0. 0285 יחידות אסטרונומיות ) ומקיף אותו פעם ב- 2. 64 ימים.

הפתעה מסוג אחר היא המצאותם של כוכבי לכת במערכות בינאריות. כוכב הלכת יכול להמצא בין שתי השמשות כשהוא מקיף את השמש הפנימית, הוא יכול להקיף את השמש החיצונית והוא יכול להקיף את שתי השמשות כאילו היו כוכב אחד. דוגמה לכוכב לכת המקיף את השמש הפנימית הוא זה הנמצא ב- המקיף את 195019 HD. לכוכב הלכת 3. 4 מסות צדק, מקיף את השמש שלו פעם ב-18. 3 ימים ומרחקו ממנה 0. 14 יחידות אסטרונומיות. מרחקה של השמש השניה הוא לפחות 150 יחידות אסטרונומיות. כוכב לכת המקיף את השמש החיצונית הוא זה הנמצא בכוכב הכפול 3651 HD. מדובר בננס חום אשר לו 50 מסות צדק המוקף על ידי כוכב לכת ושניהם ביחד מקיפים ביחד כוכב פחות או יותר בסדר גודל של השמש שלנו. כוכב הלכת עצמו קטן משבתאי, מרחקו של הננס החום מהשמש המרכזית יותר מ-10 פעמים מרחק פלוטון מהשמש (19. 9. 06 : “Scientist find” web ). כוכב לכת המקיף מערכת בינארית הוא זה המקיף את הכוכב הכפול MACHO-91-BLG-41. מרחק השמשות אחת מהשניה הוא 1. 8 יחידות אסטרונומיות. כוכב הלכת עצמו מרוחק מהם 7 יחידות אסטרונומיות ולו 3 מסות צדק (57-59 : 1999 Bennet D. P. et al ). לצד מערכות בינאריות אלה התגלתה מערכת יוצאת דופן שלה 3 שמשות. לכוכב בסדר גודל של השמש שלנו במערכת 188753 HD יש כוכב לכת בסדר גודל של צדק המקיף אותו פעם ב-3. 5 ימים ושניהם מקיפים את שתי השמשות האחרות (14. 7. 05 : “First Planet” web).

בין כוכבי הלכת הגדולים האלה ישנם כאלה הבולטים בצפיפותם הנמוכה ויש בכך כדי להזכיר את צפיפותו של שבתאי 0. 69. דוגמאות לכוכבי לכת כאלה הם: כוכב הלכת המקיף את הכוכב 1897336 HD מרחקו מהשמש שלו 0.03 יחידות אסטרונומיות, הקוטר שלו 1.25 קוטרי צדק, מסתו 1. 15 מסות צדק, צפיפותו 0.75, מקיף את השמש שלו פעם ב- 2.219 ימים וטמפרטורת השטח שלו ° 844. כוכב לכת אחר הוא זה המקיף את 209548 HD. הרדיוס שלו 1.3 רדיוסי צדק, המסה המינימלית שלו היא0. 63 מסות וצפיפותו 0.38. הוא מקיף את השמש שלו פעם ב-3.523 ימים, מרחקו ממנה 0. 045 יחידות אסטרונומיות והטמפרטורה שלו היא C ?1100.

כוכב לכת מיוחד הוא זה המקיף את 179949 HD. . גודלו כזה של צדק, מקיף את השמש שלו פעם ב-3. 09 שנים וגורם להופעת כתמים חמים (Hot Spots) על פניה. כתמים אלה נעים לאורך פני השטח של השמש במקביל לתנועתו של כוכב הלכת, אלא שהם נמצאים קצת קדימה לו. ההסבר לתופעה זו טמון לדעת החוקרים בשדה המגנטי רב העוצמה של כוכב הלכת המעביר אנרגיה לשמש. האנרגיה יוצרת כתמים בהירים שניתן לצפות בהם באמצעות טלסקופים (8. 1. 04 : “Discovery” web).

מבחינת הגיאומטריה של המסלול לרוב כוכבי הלכת שהתגלו, מסלול ההקפה שלהם הוא מעגלי, אולם ישנם גם כאלה בעלי אקסצנטריות גדולה. דוגמה לכך הוא כוכב הלכת המקיף את 168443 HD. מסתו היא 5 מסות צדק, מקיף את השמש שלו פעם ב-58 ימים ונקודות הקיצון של מסלולו הן 0. 45 ו-0. 15 יחידות אסטרונומיות. . כוכבי לכת אחרים הם אלה שמרחקיהם מהשמש שלהם הם במונחים ארציים כמו כוכב הלכת המקיף את 614 Gliese. זהו כוכב שמסתו לפחות 3. 3 מסות צדק, מרחקו מהשמש 2. 5 שלו יחידות אסטרונומיות ומקיף אותה פעם ב-4. 9 שנים במסלול כמעט מעגלי. כוכב לכת אחר הוא זה הנמצא ב-Ursa Majoris 47, מסתו 3. 5 מסות צדק, מרחקו מהשמש שלו 2 יחידות אסטרונומיות, מקיף אותה פעם ב-3 שנים וטמפרטורת השטח שלו היא C80 -.

קבוצה אחרת של כוכבי לכת היא זו של כוכבים שקנה המידה למדידתם הוא כדור הארץ. הם גדולים מכדור הארץ אך קטנים במספר סדרי גודל מהענקים הגזיים והם מוגדרים בשםSuper Earths.

876 Gliese נע כוכב לכת שמסתו 7. 5 מסות ארץ, הרדיוס שלו 2 רדיוסי כדור הארץ ומרחקו מהשמש שלו קטן עד כדי הקפתה פעם ביומיים. כוכב לכת אחר השייך לקבוצה זו הוא כוכב שמסתו היא 13מסות ארץ, מרחקו מהשמש שלו 2. 6 יחידות אסטרונומיות וטמפרטורת השטח שלו C? 200 -. השמש שלו היא מטיפוס ננס אדום (Red Dwarf). השם שניתן לכוכב לכת זה הוא 2005-BLG-169LB (13. 3. 06 : “Giant Earths” web ).

עם חלוף השנים נמצאו מערכות שמש עם יותר מכוכב לכת אחד ובל נשכח שיתכן גילוי כוכבי לכת נוספים באותן מערכות שנמצא בהן כבר כוכב לכת אחד. אחת התגליות המעניינות היא הפולסר 1257+12 PSR שלו 4 כוכבי לכת (1996:50-55 S. Stephens ). כוכב הלכת הראשון בעל 3. 4 מסות ארץ, מרחקו מהשמש 0. 36 יחידות אסטרונומיות וזמן ההקפה שלו 66. 6 ימים. כוכב הלכת השני מסתו 2. 8 מסות ארץ, מרחקו מהשמש 0. 47 יחידות אסטרונומיות וזמן ההקפה שלו 98. 2 ימים. מסלוליהם של שני כוכבי לכת אלה כמעט מעגליים. כוכב לכת שלישי מסתו כמסת הירח (0. 015 מסות כדור הארץ) ומרחקו 0. 19 יחידות אסטרונומיות. יכול להיות שסביב פולסר זה נע כוכב לכת נוסף. לאפסילון אנדרומדה 3 כוכבי לכת. הכוכב הקרוב ביותר אליו מסתו 0. 75 מסות צדק, מקיף אותו פעם ב-4. 6 ימים, השני מסתו 2 מסות צדק ומקיף את אותו פעם ב-242 יום. השלישי, המרוחק ביותר, מסתו 4 מסות צדק, מרחקו מהשמש 3. 8 יחידות אסטרונומיות ומקיף אותו פעם ב-4 שנים. ל- Caneri 55 4 כוכבי לכת. הראשון מרחקו ממנו 0. 037 יחידות אסטרונומיות (5. 6 מליון ק”מ), מקיף אותו פעם ב-3 ימים ושאר כוכבי הלכת מקיפים אותו השני אחת ל-15 יום, השלישי אחת ל-44 והרביעי אחת ל- 12. 38 שנים.

דיון

אם להשתמש במינוח הלקוח מעולם המושגים הביולוגי נפרש בפני הקהילה האסטרונומית גן חיות של מערכות שמש שונות הן מבחינת סוגי השמשות והן מבחינת סוגי כוכבי הלכת. אם ניקח למשל את כוכבי הגדולים שמסתם נמדדת במסות צדק, לגבי אלה הסמוכים ביותר לשמש שלהם, ברור שהם מראים להן צד אחד בלבד מפניהם (מזר ח. 2002: 15, 17), אלה מביניהם שמרוחקים מהשמש שלהם 7, 8 יחידות אסטרונומיות למשל מסתובבים סביב צירם. מהי המהירות הצירית שלהם?. יכול להיות שמהירותם גם כן גדולה. צדק למשל מסתובב סביב צירו פעם ב-10 שעות, מהירות של 45, 000 קמ”ש. הרוחות בקצה העליון של האטמוספירה שלו נושבות במהירות של מאות קילומטרים לשעה. מהירות סיבוב גדולה זו גורמת לכך שהכוכב פחוס בקטביו. זה מה שיקרה גם בכוכבים אלה. והיה ומהירות הסיבוב של צדק היתה גדולה יותר, הפחיסות שלו היתה גדולה יותר והכוכב היה מקבל צורה אליפטית במקצת. מהי הדינמיקה של הרוחות בכוכב בעל פחיסות גדולה לעומת כוכב לכת כדורי? כוכבי הלכת הגזיים במערכת השמש שלנו פולטים יותר אנרגיה ממה שהם קולטים מהשמש. האם תהליך זה מתרחש גם בכוכבי לכת אלה? האם גם בכוכבים אלה מתרחשות סופות הוריקן אדירות מימדים נוסח הכתם האדום של צדק. חלליות הגליליאו והקסיני חשפו פרטים שלא היו ידועים עד כה לגבי תהליכים מטארולוגיים בכוכבי הלכת הגזיים. האם מידע חדש זה יכול להאיר במשהו לגבי תהליכים דומים בענקי צדק (Giant Jupiters)?

באותה מידה שלענקים הגזיים במערכת השמש שלנו יש ירחים, סביר להניח שגם להם ירחים משלהם. הירח הגדול ביותר במערכת השמש שלנו הוא טיטן שקוטרו 5100 ק”מ. בשל מימדיהם של ענקי הצדק, יכול להיות שיהיו להם ירחים בסדר גודל של כדור הארץ וגם להם יהיו אטמוספירות ואולי גם שדות מגנטיים. במקרה זה ניתקל בתופעה שלא נתקלנו בה עד כה. כוכב לכת ארצי שהשדה המגנטי בא באינטראקציה עם רוח השמש של השמש שלו ועם השדה המגנטי של כוכב הלכת אותו הוא מקיף. היממה שלו תהיה משונה. אם הוא רחוק דיו מכוכב הלכת הוא יסתובב סביב צירו, ביום הוא ייחשף לאור השמש ובלילה ייחשף לאור הבא מפני השטח של כוכב הלכת אותו הוא מקיף בשל החזרת האור. במשך כל היממה הוא מואר, אלא שעוצמת האור משתנה בצורה מחזורית. אור שמש חזק ביום ואור חלש בלילה. התמונה מסתבכת כאשר הוא מראה באופן קבוע צד אחד מפניו לכוכב הלכת כמו הירח שלנו. מה ההשלכות של יממה מעין זו על מזג האוויר. במידה ויש עליו חיים מה המשמעות מבחינת השעון ביולוגי. אם יש עליו מים זורמים או מתאן נוזלי כמו על טיטן מה יהיו דפוסי הגיאות והשפל?

לגבי כוכבי הלכת הארציים המקיפים שמשות, יכולים להיות כאלה כמו כדור ארץ והמאדים ויכולים להיות ענקי ארץ (Giant Earthes). אם השמש שלהם קטנה מזו של השמש אותה כדור הארץ מקיף, עוצמת האור תהיה חלשה יותר מזו המוכרת לנו. מה יהיה ההבדל בעוצמת האור בין היום והלילה? מה קצב הסיבוב שלהם סביב עצמם?. מה זה אומר לגבי העברת חום מחצי הכדור המואר לחצי הכדור החשוך? במקרה שיש עליהם חיים איך תשפיע עוצמת האור החלשה יותר על מבנה אישון העין? לשם המחשה נשתמש בדוגמה ציורית. נניח שעל אחד מכוכבי לכת אלה תנאים זהים בדיוק לאלה השוררים על כדור הארץ למעט עוצמתו של אור השמש, חלשה יותר בפקטור של שניים וחיים עליהם בני אדם כמונו. בביקורם בעולמנו הם יצטרכו להיות כל הזמן עם משקפי שמש שאם לא כן לא ירגישו בנוח וגם בכדי למנוע נזק פוטנציאלי לעיניים. מה זה אומר לגבי תפישת העולם שלהם? מקרה קיצוני במיוחד הוא אותו מצב בו נמצאו כוכבי לכת ארציים המקיפים פולסרים. לצורך הדיון נניח שחיים יכולים להתקיים עליהם. עולמות אלה יהיו אפלוליים באופן תמידי. מצבי ביניים אפשריים הם אותם מקרים בהם ננסים חומים או אדומים מוקפים בכוכבי לכת שלהם אטמוספירות. מה צבע השמיים שלהם? הוא יכול להיות אדום, חום, סגול. תמונות סוריאליסטיות למדי. מקרה אחר הוא של כוכב לכת המקיף שמש פנימית במערכת בינארית או שמש המקיפה כוכב כפול (המערכת כולה היא טרינארית). היממה שלו במרבית ימות השנה תהיה תמיד מוארת, להוציא אותו מקרה בו כוכב הלכת והשמשות יהיו בקו ישר. סיטואציה כזו מתוארת בסיפורו של אסימוב “שקיעה”.

אם לכוכבים אלה מספר כוכבי לכת, האם מבחינת מרחקיהם זה מזה ישנה איזו שהיא חוקיות נוסח חוק בודה, הגם שחוקיות זו היא חלקית? עד כמה מסלוליהם הם מעגליים? בל נשכח שנמצאו כוכבי לכת בעלי מסלולים אקסצנטריים ולכך יש בוודאי השפעות אקלימיות מרחיקות לכת. האם הכוכבים נטויים על צירם כמו כדור הארץ? האם מישורי מסלוליהם אופקיים לגמרי ביחס למישור המלקה שלהם או שקיימות חריגות נוסח מסלולו של פלוטון?

סיכום

מגוון השאלות הוא אינסופי. אפשר לבנות עולמות כיד הדמיון הטובה עלינו ורצוי לעשות כאלה הרבה ובכך לקבל תובנות גם לגבי עולמנו אנו. בפני אותם סופרים העוסקים בספרות המדע הבדיונית נפתח כר נרחב לפעולה.

 מקורות

מזר ח. -“השאלות שמתעוררות בעקבות גילויין של מערכות שמש חדשות” אסטרונומיה כרך 28 גליון 3 2002 עמ. 15, 17
Bennet D. P. et al-” Discovery of a planet orbiting a binary system from gravitational microlensing” Nature Vol. 402 4. 11. 1999

Stephens S. -“Second chance planets” Astronomy January 1996 pp 50-55