חוקרים ישראלים מדדו במדויק את אורך היום בשבתאי: “מדהים לראות שבשנת 2015 עדיין חסרים לנו פרטים בסיסיים על גופים במערכת השמש”

לדברי ד”ר רוית חלד שעמדה בראש המחקר, למדוד את אורך היום בכוכב לכת גזי אינו דבר פשוט אין בו אתרים קבועים שניתן למדוד את הזמן בו הם מופיעים שוב כדי לדעת במדויק את אורך היממה

מהו אורכה של היממה על כוכב הלכת שבתאי? לכאורה מדובר בשאלה בסיסית בחקר החלל: עבור מרבית כוכבי הלכת במערכת השמש שלנו, אורך היממה הוא נתון פיזיקלי ברור וחד משמעי, המוכר היטב למדע המודרני. אך מסתבר שבשבתאי המצב שונה. אפילו היום, בשנת 2015, אין בידי המדענים מידע ודאי וסופי בנוגע לזמן הסיבוב העצמי – שהוא אורך היממה – של כוכב לכת זה. כעת פיתח צוות של מדענים צעירים מאוניברסיטת תל אביב וממכון וייצמן שיטת חישוב חדשה, העשויה להניב סוף סוף פתרון מדויק לחידה זו – ואף להוות מפתח לתעלומות נוספות במערכת השמש שלנו וברחבי הגלקסיה.

המחקר בוצע על ידי ד”ר רוית חלד, חוקרת מדעים פלנטריים בחוג למדעי כדור הארץ של אוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם ד”ר אלי גלנטי וד”ר יוחאי כספי ממכון ויצמן למדע. המאמר מתפרסם היום (25.3.15) בכתב העת Nature . ד”ר חלד, מעורבת במשימות חלל של נאס”א ושל סוכנות החלל האירופית – ביניהן חלליות המחקר ‘קאסיני’ הסובבת במסלול סביב שבתאי, ‘ג’ונו’ שתגיע לכוכב הלכת צדק בשנת 2016, ו-JUICE שתחקור את צדק וירחיו בעשור הבא.

בראיון לאתר הידען מסבירה ד”ר חלד, המתמחה בחקר ענקי הגז (כוכבי לכת מסוגם של צדק ושבתאי ואף גדולים יותר) במערכת השמש ומחוצה לה כי למדוד את אורך היום בכוכב לכת גזי אינו דבר פשוט אין בו אתרים קבועים שניתן למדוד את הזמן בו הם מופיעים שוב כדי לדעת במדויק את אורך היממה (אולי למעט צדק וה’עין’ שלו).

“שבתאי הוא כוכב לכת מסוג ענק גזים – פלנטה העשויה כולה מגזים, בעיקר מימן והליום,” מסבירה מובילת המחקר “מכיוון ששבתאי עשוי גזים, אין לו פני שטח יציבים, ולכן לא ניתן לקבוע את זמן הסיבוב שלו בשיטה המקובלת עבור כוכבי לכת מוצקים: בחירת סימן מזהה על פני השטח, ומדידת הזמן החולף עד שהוא נצפה שנית. בנוסף, ענקי הגזים מכוסים תמיד בשכבת עננים, המקשה עוד יותר את מלאכת המדידה.”

כשקאסיני הגיעה היא קיבלה מספר אחר – 10 שעות ו-47 דקות. פלנטה כזו לא יכולה לשנות את מהירות הסיבוב שלה בשמונה דקות בזמן כל כך קצר.
ברור שהמדידה לא נותנת נתונים מדויקים ובמאת תוך כדי מסעה של קאסיני ראו שתדירות הרדיו משתנה עם הזמן. אחר כך היו מודלים תיאורטים שדיברו על 10 שעות ו-32-33 דקות ואז היתה לנו אי וודאות של רבע שעה.

“ב-1977 שיגרה נאס”א את החללית וויאג’ר 2, שהביאה לנו מידע רב ערך על ארבעת כוכבי הלכת החיצוניים של מערכת השמש שלנו – שבתאי, צדק, אוראנוס ונפטון,” מספרת ד”ר חלד. “על פי תצפיות וויאג’ר 2 נקבע כי זמן הסיבוב של שבתאי הוא 10 שעות, 39 דקות ו-22 שניות, ונתון זה נחשב לאמין במשך כ-30 שנה. כך היה עד שמדידות מהחללית קאסיני, שנכנסה למסלול סביב שבתאי ב-2004, הראו כי שיטת המדידה ששימשה את וויאג’ר 2 לא שיקפה למעשה את זמן הסיבוב של כוכב הלכת. חידת אורך היממה של שבתאי נפתחה מחדש.”

לדברי ד”ר חלד, הן ווייג’ר והן קאסיני מדדו את מהירות סיבובו באמצעות מדידת קרינת SKR (Saturn Kilometer Radiation), קרינה בתחום הרדיו באורך גל של קילומטרים הנוצרת על ידי הזרמים בין היונספירה ובין המגנטיוספירה של כוכב הלכת. מכיוון שקאסיני מקיפה את שבתאי מזה כעשור, בוצעה הבדיקה פעם נוספת כמה שנים לאחר הגעתה של קאסיני, והתקבלה תוצאה שונה. אם זה לא מספיק, ישנם מודלים תיאורטים שקבעו כי אורך היממה של שבתאי צריך להיות עשר שעות ו-32-33 דקות.

ד”ר חלד ועמיתיה בחרו לתקוף את השאלה באמצעות שיטת חישוב המכונה ‘אופטימיזציה סטטיסטית’, שבעזרתה העריכו את מהירות הסיבוב של כוכב הלכת על ידי קישור לשדה הגרביטציה שלו, דחיסות החומר וצורתו הפחוסה. בדרך זו הם חישבו זמן סיבוב המתאים באופן מיטבי למידע הקיים: 10 שעות, 32 דקות ו-45 שניות. כדי לבחון את אמינות שיטתם, חישבו החוקרים באמצעותה גם את זמן הסיבוב של צדק, המוכר היטב למדע – והגיעו לתוצאה הנכונה.

“לממצאים שלנו יש משמעות נרחבת, הרבה מעבר למציאת פתרון לחידה מעניינת”, מסבירה ד”ר חלד. “ראשית, זמן הסיבוב משפיע מאוד על הרוחות ועל מזג האוויר השורר בכוכב הלכת שבתאי. ואולי חשוב מכך: במחקר קודם מצאנו כי להפרש של 7 דקות בזמן הסיבוב יש השלכות מרחיקות לכת על חקר המבנה הפנימי של כוכב הלכת. מהמבנה הפנימי ניתן להסיק מסקנות חשובות על אופן היווצרותו של שבתאי בפרט, וענקי גזים בכלל, ועל התנאים ששררו סביבו בעת שנוצר, בערפילית היצירה של מערכת השמש. המידע הזה, בתורו, מוסיף נדבך חשוב לחקר ההתפתחות של מערכת השמש שלנו ומערכות אחרות במרחבי הגלקסיה.”

“זה נשמע מעט, אבל זה גודל פיזיקלי מאוד בסיסי במערכת השמש ולכן ברור שאנחנו רוצים לדעת אותו בדיוק רב יותר. בנוסף, מהירות הסיבוב משפיעה על מהירות הרוחות – למשל העובדה שנושבות עליו רוחות בשני הכיוונים – ממזרח למערב ולהיפך, כמו בצדק. ידיעת משך היממה מאפשרת גם לנתח כמה חומרים כבדים (חומרים הכבדים יותר ממימן והליום, למעשה רוב היסודות בטבלה המחזורית וכמובן תרכובות כגון מתאן ואמוניה) יש באטמוספירת שבתאי. הפחתת שבע דקות ממשך הסיבוב של שבתאי סביב צירו משמעותה ליבה קטנה יותר.

הידען: כמי שחוקרת כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, האם המידע הזה מסייע בתובנות למחקר זה?

“אכן אני מעורבת גם במשימות חלל החוקרות כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. הבנה טובה יותר של גופים במערכת השמש מאפשרת לנו להשוות בין מערכת השמש שלנו למערכות שמש אחרות שכבר התגלו באלפיהם.”

“משימות חלל המיועדות לכך לא רק גילו את כוכבי הלכת אלא גם את מסתם וקוטרם. אנחנו משתמשים בכוכבי הלכת במערכת השמש לצורך כיול המידע הזה. יש לנו למעשה מערכת שמש אחת עליה יש לנו פרטים רבים, ומערכות שמש רבות שאין לנו מידע מפורט עליהם מלבד מספרם של כוכבי הלכת ומסלולם וכאמור מסתם וקוטרם, אך לא יותר מכך, ואולם המעט הזה מאפשר לנו לעשות סטטיסטיקות. התנאי לנכונותם הוא שהכיול מדויק ולשם כך אנחנו צריכים להכיר את מערכת השמש שלנו.”

הידען: מה מצב הידע שלנו על ענקי הגזים?
צדק נחקר וייחקר רבות, וכך גם שבתאי. לעומתם אורנוס (אורון) ונפטון (רהב) זכו רק לביקור קצרצר של החללית וויאג’ר 2 בשנות השמונים, והידע עליהם מקורו בעיקר מתצפיות מכדור הארץ. המדענים הפלנטריים פנו לנאס”א ולסוכנות החלל האירופית בבקשה לשגר משימה לאחד מהם או לשניהם. זאת מכיוון שאנו מגלים המון כוכבי לכת שמסותיהם קטנות יחסית ודומות לאלו של אורנוס ונפטון, וכשבודקים את הידע שלנו על כובי לכת אלה, מסתבר שהוא דל.”
במחקריהם הבאים יבקשו ד”ר חלד ושותפיה ליישם את הגישה החדשנית שפיתחו על ענקי גזים נוספים במערכת השמש – בעיקר אורנוס ונפטון, ואף להיעזר בה בחקר כוכבי לכת של שמשות אחרות.

ד”ר חלד מקווה שפרסום המחקר והממצאים של הקבוצות הישראליות המתמחות באסטרופיזיקה ובחקר כוכבי לכת יגרום למשיכת צעירים להתעניינות בתחום.