תצפית ספקטרוסקופית ראשונה בעצם הקר והעמום GJ 504b חשפה אדי מים, מתאן, פחמן דו־חמצני ואמוניה. מודלים של האטמוספרה התאימו לנתונים רק לאחר שהחוקרים הוסיפו שכבת עננים מלוחים
טלסקופ החלל ג’יימס וב הצליח לראשונה לפרק את אורו של GJ 504b – עצם רחוק, קר ועמום המכונה לעיתים “כוכב הלכת הוורוד” – ולחשוף באטמוספרה שלו תערובת עשירה של מולקולות לצד עדויות לעננים העשויים ממלחים.
זהו אחד המקרים הראשונים שבהם נמצאו ראיות ישירות לכך שענני מלח ממלאים תפקיד מרכזי באטמוספרה של עצם פלנטרי קר. החוקרים מעריכים כי העננים מסתירים את השכבות העמוקות יותר של האטמוספרה ומשנים את האופן שבו האור הנפלט ממנה מגיע אל הטלסקופ.
המחקר, בהובלת אניש באבוראג’ מאוניברסיטת נורת’ווסטרן, פורסם בכתב העת The Astronomical Journal.
עצם ורוד, קר וקשה לסיווג
GJ 504b התגלה בשנת 2013 באמצעות צילום ישיר בתחום התת־אדום. הוא מקיף כוכב דמוי שמש במרחק של כ־57 שנות אור מכדור הארץ, במערכת הנמצאת בכיוון קבוצת בתולה.
הכינוי “כוכב הלכת הוורוד” נולד בעקבות הדמיות מוקדמות, שבהן תואר העצם כבעל גוון מג’נטה עמום, המזכיר פריחת דובדבן כהה. אין מדובר בצילום צבע רגיל של פניו, אלא בתיאור המבוסס על הקרינה התת־אדומה שנמדדה ממנו ועל מודלים של האטמוספרה.
אף שהוא מכונה כוכב לכת, סיווגו עדיין אינו ודאי. הניתוח החדש מצביע על מסה של כ־25 מסות צדק, עם טווח אי־ודאות רחב. מסה כזאת מציבה אותו באזור הגבול המטושטש שבין כוכבי לכת ענקיים לננסים חומים – עצמים הנוצרים אולי כמו כוכבים, אך אינם מסיביים מספיק כדי לקיים היתוך מימן יציב בליבתם.
לכן החוקרים משתמשים במונח הזהיר יותר “בן לוויה בעל מסה פלנטרית”: עצם בגודל דומה לכוכב לכת, המקיף כוכב, אך שמקורו וסיווגו המדויק טרם הוכרעו.
מה שטלסקופים מהקרקע לא הצליחו לראות
GJ 504b הוא אחד מבני הלוויה הקרים ביותר שצולמו ישירות לפני תחילת פעילותו של ג’יימס וב. הטמפרטורה האפקטיבית שלו היא כ־564 קלווין, שהם כ־291 מעלות צלזיוס. זו טמפרטורה גבוהה במונחים ארציים, אך נמוכה מאוד בהשוואה לרוב כוכבי הלכת החוץ־שמשיים שצולמו ישירות.
העצם גם עמום בהרבה מן הכוכב שאותו הוא מקיף. ניסיונות קודמים להפיק ממנו ספקטרום באמצעות כמה מן הטלסקופים הגדולים בעולם לא הצליחו להפריד היטב את אורו מן הזוהר של הכוכב.
באמצעות הספקטרוגרף NIRSpec של ג’יימס וב ותהליכי עיבוד שנועדו להסיר את אור הכוכב, הצליחו החוקרים להפיק ספקטרום באיכות גבוהה לאחר תצפית שנמשכה כשעתיים בלבד.
ספקטרום מפרק את האור לאורכי הגל המרכיבים אותו. מולקולות שונות בולעות ופולטות אור באורכי גל אופייניים, ולכן אפשר להשתמש בספקטרום כמעין “טביעת אצבע” כימית של האטמוספרה.
מים, מתאן, אמוניה וגם מימן גופרי
בספקטרום של GJ 504b נמצאו חתימות של אדי מים, פחמן חד־חמצני, מתאן, פחמן דו־חמצני, אמוניה ומימן גופרי. החוקרים זיהו גם איזוטופולוגים – גרסאות של אותן מולקולות המכילות איזוטופים שונים של פחמן וחמצן.
התערובת מצביעה על אטמוספרה מורכבת שבה מתקיימת כימיה שאינה בהכרח בשיווי משקל. משמעות הדבר היא שתנועת גזים בין שכבות שונות של האטמוספרה עשויה להביא מולקולות לאזורים שבהם, לפי הטמפרטורה והלחץ המקומיים, הן לא היו אמורות להימצא בכמויות שנמדדו.
אולם כאשר החוקרים ניסו להתאים לספקטרום מודל של אטמוספרה נקייה מעננים, התקבלו תכונות פיזיקליות בלתי סבירות. רק לאחר שהוכנסו למודל עננים הצליחו החוקרים לשחזר את התצפיות בלי להידרש לפרמטרים חריגים.
העננים שמסתירים את השכבות העמוקות
צוות המחקר בחן שלושה סוגים אפשריים של עננים. המודל שהתאים בצורה הטובה ביותר לנתונים כלל עננים העשויים מתרכובות מלח, המתעבות בטמפרטורות המתאימות לאטמוספרה של GJ 504b.
עננים כאלה פועלים כמסך חלקי: הם מחלישים את החתימות הספקטרליות של מולקולות בשכבות העמוקות והחמות יותר. בלי להתחשב במסך הזה, המודל עלול לפרש באופן שגוי את עוצמת החתימות הכימיות ולהסיק מסקנות לא מציאותיות על מבנה האטמוספרה.
ענני מלח נחזו במודלים תאורטיים של ננסים חומים וכוכבי לכת קרים כבר לפני יותר מעשור, אך עד כה היה קשה למצוא ראיות תצפיתיות ישירות לכך שהם אכן נחוצים כדי להסביר ספקטרום של עצם כזה.
לדברי באבוראג’, זו הפעם הראשונה שבה נמצא כי ענני מלח הם מרכיב חיוני להסבר ספקטרום של עצם שנצפה ישירות.
נוצר כמו כוכב לכת או כמו כוכב?
הספקטרום מצביע גם על כך שהאטמוספרה של GJ 504b עשירה יחסית ביסודות כבדים. באסטרונומיה מכונים כל היסודות הכבדים ממימן ומהליום בשם הכללי “מתכות”.
העשרה כזאת עשויה לתמוך בתרחיש שבו העצם נוצר בדיסקה של גז ואבק סביב הכוכב, בדומה לכוכבי לכת. במהלך היווצרותם יכולים כוכבי לכת לצבור חומרים מוצקים ועשירים ביסודות כבדים, ולכן האטמוספרה שלהם עשויה להיות מועשרת ביחס לכוכב.
עם זאת, החוקרים מדגישים כי התוצאות עדיין אינן שוללות היווצרות הדומה יותר לזו של כוכבים וננסים חומים – קריסה ישירה של ענן גז. גם המרחק הגדול של GJ 504b מן הכוכב שלו מקשה להסביר את היווצרותו באמצעות המודלים הפשוטים של יצירת כוכבי לכת.
צעד לקראת חקר עולמות קרים יותר
המחקר אינו עוסק רק בעצם יחיד. הוא מדגים כיצד אפשר להשתמש בג’יימס וב כדי לחקור כוכבי לכת וננסים חומים קרים ועמומים, שלא ניתן היה להפיק מהם ספקטרום באמצעות טלסקופים מהקרקע.
ככל שהאסטרונומים מתקרבים לחקר עצמים שטמפרטורותיהם דומות יותר לאלה של ענקי הגז במערכת השמש, צפויים להופיע סוגים חדשים של עננים. באטמוספרה של צדק, לדוגמה, קיימים עננים המכילים גבישי אמוניה. אלה עדיין קשים לזיהוי ישיר בכוכבי לכת חוץ־שמשיים, אך גילוי ענני המלח מראה שהתצפיות מתקרבות לתחום הזה.
התוצאה גם מזכירה כי אין די בזיהוי מולקולות בספקטרום. כדי להבין אטמוספרה של עולם רחוק יש להביא בחשבון גם עננים, ערבול אנכי, לחץ וטמפרטורה – כולם משפיעים על האור שמגיע לבסוף אל הטלסקופ.
שאלות נפוצות
מדוע GJ 504b מכונה “כוכב הלכת הוורוד”?
הכינוי מבוסס על הדמיות ומדידות תת־אדומות שהציגו אותו כעצם בגוון מג’נטה עמום. אין מדובר בצילום צבע רגיל של כוכב הלכת.
האם GJ 504b הוא באמת כוכב לכת?
הדבר עדיין אינו ודאי. המסה שהתקבלה במחקר החדש מציבה אותו באזור הגבול שבין כוכבי לכת ענקיים לננסים חומים, ולכן החוקרים מכנים אותו בן לוויה בעל מסה פלנטרית.
ממה עשויים העננים באטמוספרה שלו?
המודלים מצביעים על עננים של תרכובות מלח המתעבות בטמפרטורות השוררות באטמוספרה. העננים מסתירים חלק מן השכבות העמוקות ומשנים את הספקטרום הנצפה.
אילו מולקולות נמצאו באטמוספרה?
החוקרים זיהו בין השאר אדי מים, פחמן חד־חמצני, מתאן, פחמן דו־חמצני, אמוניה ומימן גופרי.
כמה חם GJ 504b?
הטמפרטורה האפקטיבית שנמדדה היא כ־564 קלווין, או כ־291 מעלות צלזיוס. הוא נחשב קר מאוד בהשוואה לרוב כוכבי הלכת החוץ־שמשיים שצולמו ישירות.
עוד בנושא באתר הידען:
