טבעות שבתאי – ממצאים חדשים

(הערה: הכתבה הוכנה לפני התגלית האחרונה בדבר ירח המהווה את המקור לחומר של טבעת G)

מבוא

הממצאים הזורמים ללא הפסק מחללית הקאסיני פורשים בפני החוקרים יריעה נוספת של נתונים על עולם הטבעות של שבתאי ובה במידה פותחים סדרה חדשה של שאלות באשר לדרך היווצרותן והדינמיקה הפועלת בתוכן. עולם הידע המצטבר על טבעות אלה יאפשר בעתיד לתכנן חלליות חדשות שתשוגרנה לעבר שבתאי.

משימה אפשרית היא חללית שתקיף את שבתאי בתוך רצועת הטבעות ואשר ניתן יהיה לתמרנה במהלך פעילותה כדי לבדוק תופעות מקומיות בתוך עולם מופלא זה ואולי גם להיכנס למסלול סביב הירחים הזעירים הנמצאים ביניהם או להנחית עליהם מיקרו חלליות.

טבעת A

בטבעת זו נמצא מספר גדול יותר של שברים ממה שהעריכו בהסתמך על נתוניהם של הוויג'רים. ההערכה היתה שהטבעת היא שקופה במידה רבה מכיון שכמות החומר שנצפתה היתה קטנה מאוד. התצפיות שנעשו על ידי הקסיני הראו שעמימות הטבעת גבוהה ב-35%. בשל הפיזור הלא סימטרי בגודל של חלקיקי הטבעת מחלקיקי אבק עד למספר מטרים, שקיפות הטבעת תלויה בזווית התצפית. החלקיקים מסודרים בגושים שמימדיהם הם 5.3 X 5.3 X 20 מטר. הטבעת צפופה בשפה הפנימית שלה. בהשפעת כוח המשיכה של שבתאי החלקיקים הם במצב תמידי של התפרקות והתגבשות (1).

תופעת ה"מעוררים" (wakes) שדווח עליה בתצפיות קודמות נראתה שוב. מדובר בסדרה של ירחונים קטנים באורך 10 מטר בתצורה של להבים הממוקמים ברצועה צרה בתוך הטבעת. הרושם הוא שהם שרידיו של ירח גדול שהתרסק בשל פגיעת מטאוריד או שביט. רוחבה של הרצועה 3200 ק"מ (2).

טבעת B

השפה החיצונית של הטבעת נמצאת במצב של תהודה (ressonance) עם הירח מימס. כל שתי הקפות של חלקיקים באזור זה סביב שבתאי שוות להקפה אחת של מימס סביב שבתאי. בתוך הטבעת נמצא מרווח קסיני הכולל גם טבעת צרה ובהירה (3). מכיון שטבעת זו היא הצפופה ביותר מבין טבעות שבתאי היא מפיצה פחות אור שמש מלמטה ומחזירה יותר אור מלמעלה, יותר מאשר טבעות A ו-C (4).

אחת הדרכים לחקירת הטבעת היתה תצפית כאשר מערך הטבעות חצץ בינה לבין כוכבים כל שהם. מעין ליקוי של הכוכבים. תצפיות כאלה מתבצעות במערכים גיאומטריים שונים. הטבעות תמיד מסתירות כוכבים אלה, אבל הקסיני אינה בקו ישר איתם אלא צופה בהם בזוויות שונות, דומה לטומוגרפיה ממוחשבת. בדיקת זוהר הכוכבים במעברים אלה אפשרה מיפוי תלת מימדי של הטבעות והכרה טובה יותר של תצורת המרווחים בתוך הטבעת וכיוונם של גושי החלקיקים בתוכה. תצפיות אלה איששו את ההנחה שקיימת משיכה כבידתית בין חלקיקי הטבעת היוצרים את הטבעת לבין גושי חלקיקים. אם חלקיקים אלה היו רחוקים משבתאי הם היו ממשיכים לגדול למימדים של ירח. בשל קירבתם לשבתאי מהירויות ההקפה שלהם מסביב לשבתאי פועלות נגד משיכה כבידתית זו, כך שהם נמתחים כמו סוכריות טופי ומתרחקים אחד מהשני ומרחיקים אותם זה מזה. התוצאה היא שגושים אלה באופן קבוע מתקבצים ומתפרקים ברגע שהם מגיעים למרחק 30-50 מטר אחד מהשני. בכל זמן שהוא רוב החלקיקים נוטים להתקבץ לגושים, אך הם נעים מגוש אחד למשנהו, עם התפרקותם של גושים ויצירת חדשים במקומם.

החלקיקים בטבעת מתנגשים עם חלקיקים אחרים ברציפות והגושים הנוצרים פועלים כמו חלקיקים גדולים במיוחד (supper sized particles) תוך השפעה על התרחבות הטבעת. החלקיקים נראים בכל אזורי הטבעת שאינם עמומים. אחת ההפתעות היתה שהגושים הם רחבים ושטוחים כמו גליונות גדולים של חלקיקים. רוחבם גדול פי 5-10 מעובים. גושים אלה שטוחים יותר מהמרווחים ביניהם וקטנים יותר מהמקבילים להם בטבעת A(5).

טבעת D

טבעת זו היא הטבעת הפנימית ביותר מבין טבעות שבתאי ולמרבה המוזרות התברר שהיא מתנהגת בצורה גלית. דינמיקה רציפה זו הובילה להשערה כי הטבעת היא תוצר להתנגשות שהתרחשה לאחרונה בטבעות עם גוף זר. אישוש להשערה זו היא מציאותה של סדרת טבעות דקיקה (ringlets). בחלק החיצוני של הטבעת בין גל אחד למשנהו קיים מרווח קבוע של 30 ק"מ. כאשר צופים לאורך מישור הטבעת אפשר לראות כי החלק החיצוני של הטבעת בהיר והחלק הפנימי כהה (מנקודת המבט של הצופה ולהיפך). התופעה מתרחשת כאשר "גלעין" של חומר עדין נראה מקופל כמו תקרה דקה. השינויים בבהירות תואמים לשינויים במדרונות המשתנים בחומר של הטבעת. מרווחים מחזוריים בין הגלים נצפו ב-1995 כאשר הטלסקופ האבל צפה בשפה החיצונית של הטבעת וגודל המרווחים היה 60 ק"מ. מטבע הדברים לטלסקופ היו יעדים נוספים ולכן מספר התצפיות לעבר שבתאי היה מצומצם. נראה שמרווח זה התקצר במהלך השנים בדומה להתקצרות של קפיץ. מתוך מטרה להעמיק את הבדיקה נעשתה אקסטרפולציה אחורה בזמן ונמצא כי השתנות הספירליות החלה ב-1984. ההערכה היא כי המקור לכך היא פגיעת שביט או אסטרואיד בטבעת אשר זרק החוצה ענן של חומר עדין "שירש" חלק מהנטיה של מסלול הגוף הפוגע. אפשרות אחרת היא שגוף זה פגע בירח נטוי, קרע אותו וגזרים אלה נשארו במסלול נטוי (6).

טבעת E

תצלומים ברזולוציה גבוהה איששו השערה שהגייזרים של אנצלדוס הם המקור לחלקיקים הבונים את הטבעת. התצלומים שנעשו ממישור הטבעות ובמבט קצה שלהן מהשפה החיצונית שלהן רואים מופע כפול שלהן. הסיבה לכך היא שהטבעות דקות יותר קרוב למישור שלהן בגובה 500-1000 ק"מ מעל ומתחת למישור הטבעת. תופעה זו היא כנראה תוצר לכך שהחלקיקים מקיפים את הטבעת במסלולים נטויים. טווח ההשתנות הזוויתי קטן. דבר דומה נצפה בטבעת הדקיקה המקיפה את צדק וברצועת האבק הנמצאת ברצועת האסטרואידים. לתופעה זו שני הסברים. על פי הסבר אחד החלקיקים הנפלטים מאנצלדוס המתקבעים במסלול סביב שבתאי, מתחילים את מסעם בטווח גדול של נטיות מסלול, אך אלה המקיפים את שבתאי סמוך למישור הטבעות מופצים באמצעות הכוחות הכבידתיים ומורחקים מהטבעת (7).

בחינת הצילומים הראתה שינויים בצבעים לאורך הטבעות המעידים על תהליכים הממיינים את החלקיקים על פי גודלם. כאשר צופים בטבעות מצד אחד של שבתאי רואים בטבעת גלעין אדום עם הילה כחולה מסביבו וכאשר צופים בה מהצד השני המגמה מתהפכת. הצד הפנימי הוא כחול ומסביב טבעת אדומה (8).

טבעת F

טבעת זו היא הטבעת הדינמית ביותר מבין טבעות שבתאי. השינויים המתחוללים בה הם בסקלות זמן שונות, החל בשעות וכלה בשנים. בדיקת הצילומים שנעשו בין השנים 2006-2007 הראתה כי קיימים בתוכה מבנים הנקראים סילונים (jets) והם תוצר של התנגשויות בין ירחונים קטנים הנעים בתוך הטבעת לבין הגרעין שלה. ההסבר לפעילות זו הוא גוף בקוטר 5 ק"מ שהתגלה על ידי הקסיני ב-2004 והשם שניתן לו הוא S/2004 S6. הטבעת והגופים הסמוכים לה מתנודדים בהשפעת פרומתאוס הירח המלווה אותם. לירח זה חותם כבידתי על העצמים הפועלים בתוכה. תצורות נוספות אשר בטבעת נקראות מניפות (fans) והם תוצר להשפעות כבידתיות של ירח קטן בקוטר 1 ק"מ המקיף את שבתאי בסמוך לגרעין הטבעת (9).

תופעה נוספת שנמצאה בטבעת הוגדרה "גופים זורמים" (streamers like objects). ההערכה היא שבתוך הטבעת נמצאים ירחונים המקיפים את שבתאי ביחד עם הטבעות. שעה שהם נראים סמוך לגרעין הטבעת הם משאירים חותם כבידתי. בחלק מהמקרים הם יכולים למשוך החוצה חומר זרימתי (streamers) מעין גרסה מוקטנת של האינטראקציה בין פרומתאוס וחומר הטבעת F. הדינמיקה בין שני המקרים היא אותה, אך קני המידה הם שונים (10). ישנם מקרים בהם פרומתאוס נראה סמוך לטבעת והיא מתפצלת לשתים (11,12,13,14).

טבעת G

בתוך טבעת זו מצויה קשת בהירה ברוחב 250 ק"מ (בהשוואה ל-5915 ק"מ רוחב הטבעת כולה). הקשת נצפתה מספר פעמים מאז הגעתה של הקסיני ב-2004 מה שאומר שהיא בעלת תוחלת חיים ארוכה. טבעת זו נמצאת ביחסי גומלין עם הירח מימס. סימולציות מחשב מעידות על כך שלירח זה השפעה כבידתית על הקשת. תופעה דומה במערכת השמש נצפתה בטבעות של נפטון. המדידות מעידות על צמצום בהיקף החלקיקים הטעונים סמוך לקשת ב-2005. כנראה שמסה בלתי נראית בקשת ספגה חלקיקים אלה. מסת חלקיקי האבק הקטנים אינה גדולה דיה כדי לקלוט אנרגיה זו, מה שאומר שמסה גדולה יותר מפוזרת בקשת. סדר הגודל של החלקיקים בה נע בין גרגר אבק עד לסלעים קטנים. המסה הכוללת שלהם היא שוות ערך לירח קטן בקוטר 100 מטר.

הטבעת עצמה נוצרה כנראה מחלקיקי קרח גדולים יחסית המצויים בקשת בהירה הממוקמת בשפה הפנימית שלה. חלקיקים אלה מתוחמים בתוך הקשת על ידי השפעה כבידתית של מימס. מיקרו מטאורידים מתנגשים עם החלקיקים משחררים חלקיקי אבק קטנים יותר המאירים את הקשת. הפלסמה בשדה המגנטי של שבתאי עוברת דרך טבעת זו וסוחפת איתה את החלקיקים היוצרים את הטבעת (15).

טבעת חדשה

סרט שהופק מ-600 תצלומים רצופים במשך יומיים ב-16.3.07-18.3.07 גילה טבעת דינמית ובלתי נראית באור הנראה של יונים אנרגטיים הלכודים בשדה המגנטי של שבתאי. טבעת זו קיבלה את השם שטף טבעתי (ring current). סרט זה מאפשר להבחין בשינויים המתחוללים בטבעת לאורך זמן. לטבעת צורת אבוב ובנקודות מסוימות היא נראית כאילו נגסו בה. מרחקה של הטבעת משבתאי היא פי 5 מהטבעות המוכרות והיא לא מופתה עד כה (16).

הטבעת איננה סימטרית במבנה שלה והיא מושפעת מרוח השמש. רוח זו מטה אותה אל מחוץ למישור קו המשווה של שבתאי בצד הלילי שלו ומעבה אותה באופן ניכר בצד היום. מהירות הקפתה את שבתאי כמעט שווה לזו שלו עצמו. מקורה העיקרי של פלסמת הטבעת היא מהגז הנפלט מהגייזרים של אנצלדוס. בסביבת כדור הארץ שטפים טבעתיים (ring currents) נוצרים במהלכן של סערות מגנטיות המונעות על ידי רוח השמש, הגם שהן דועכות כאשר רוח השמש מתקדמת עמוק בחלל. בסביבתו של שבתאי הטבעת מלאה בגושים ומקיפה אותו מספר פעמים. צילומי הסרט מראים את עוצמתם האנרגטית של המטענים הנפלטים מטבעת זו באמצעות תהליך הנקרא שחלוף מטענים (charge exchange). תהליך זה מתרחש כאשר יון אנרגטי לכוד גונב אלקטרון מאטום של גז קר הופך לניטרלי ובורח מהשדה המגנטי. על אפשרות קיומה של טבעת זו דנו כבר בשנות ה-80 בעקבות אנומליות מגנטיות שנצפו על ידי פיוניר 10, פיוניר 11, וויג'ר 1, וויג'ר 2 אם כי לא בהיקף גלובלי. הקסיני אפשרה לראשונה מיפוי מלא שלה (17).

קשתות וירחים חדשים

כאשר הקסיני עברה בתוך שטף קבוע של אלקטרונים סמוך לשבתאי היא הופצצה על ידי חלקיקים אלה ובשני מקומות היו הפסקות בשטף זה. התברר שהפסקות אלה מתרחשות לאורכם של מסלולי הקפה של ירחים חדשים שהתגלו על ידי הקסיני, Ethone שקוטרו 3 ק"מ אשר התגלה ב-2004 ו-Anthe שקוטרו 2 ק"מ והתגלה ב-2007. מסלולי הירחים ממוקמים בין מימס לאנצלדוס. גילוים של ירחים אלה הראה שגם גופים כה קטנים יכולים להיות מקור של אבק במערכת של שבתאי. באופיים ירחים אלה סופגים חלקיקים עתירי אנרגיה. העובדה שלא נמצאו חלקיקי אבק על ידי הקסיני מעידה על מרווחים בשטף האלקטרונים. משהו גדול סופג את החלקיקים הטעונים. המרווחים שהקסיני ראתה בסמוך לירחים אלה נעים בין 1000-3000 ק"מ ואי אפשר להסביר את גודלם רק באמצעות נוכחותם של ירחונים אלה. המדידות יכולות להעיד על כך שירחונים אלה מאבדים אבק מפני השטח שלהם וקשת אחת או יותר נבנות לאורך מסלול תנועתם. אורכה של כל קשת אמור להיות אלפי קילומטרים ובתוכם גרגרי או גושי אבק. חומר זה יכול להתפתח לקשתות של טבעת בשל השפעות כבידתיות של שבתאי וירחים גדולים כמו מימס. דבר דומה נצפה בקשת שבתוך טבעת G. המקור הסביר ביותר לאיבוד החומר מירחים אלה הוא פגיעת מטאורידים. טבעות ממקור דומה התגלו בתצלומי הקסיני לאורך מסלולם של הירחים ינוס, אפימתאוס ופאלאן. מה שמענין הוא שקשתות אלה לא נצפו עדיין על ידי הקסיני. הידיעה עליהן היא תוצר לתובנות והיסקים שעה שהטבעות של ינוס, אפימתאוס ופאלאן כן צולמו. המשמעות היא שלגרגרים הבונים שני מערכי טבעות וקשתות אלה, מאפיינים שונים (18). בתצלומים שנעשו מאוחר יותר, קשתות אלה כן נראות. דוגמה לכך היא תצלום שנעשה ב-4.4.2008. בתצלום זה רואים את הירח Anthe והתברר כי הוא יכול להימצא בחזית או בזנב של אחת הקשתות. בתצלום PIA 11100 הקשת מתפצלת לשתיים ומתמזגת בהמשך (19).

טבעות חדשות

באחת התצפיות בהן שהמש היתה מאחורי הטבעות התגלתה טבעת חדשה ודקה שזמן הקפתה את שבתאי מתוזמן עם הירח פאלאן שקוטרו 4 ק"מ. רוחבה של הטבעת 2500 ק"מ והיא נמצאת בין טבעת E לטבעת G (20). בתצפית שהתקיימה ב-15.9.2006 התגלתה טבעת דקה בין טבעת A לטבעת B. אלה מצטרפות לטבעות אחרת שהתגלו על ידי הקסיני ואשר לא יכלו להתגלות על ידי חלליות הוויג'ר בשל הרזולוציה הנמוכה שלהן. טבעות אלה נוצרו כנראה בשל פגיעת גופים שונים בירחים או בחלקיקים גדולים. התנגשויות אלה שחררו חומר מפני השטח שלהם ויצרו טבעות דלילות ונשארו במסלולם של הגופים הפגועים (8).

חישורים

תופעה זו מוכרת מזה שנים. בתצלום PIA 08877 של הקסיני אפשר לראות חישורים שאורכם מגיע ל-5000 ק"מ מפוזרים רדיאלית לאורך מישור הטבעות. ההערכה היא שהם רדיאליים עם היווצרותם. החישורים הנראים בתצלום זה נוצרו בו זמנית. שילוב בין עוצמת הגזירה של החישורים (spokes shear) לבין מרחקם הרדיאלי משבתאי נותן אומדן באשר למועד היווצרותם, 100 דקות לפני ביצוע תצלום זה (21).

להבים

אלה תלכידי חומר שזוהו בעבר בתוך טבעת A. בתצלום PIA 10079 זוהו 8 להבים חדשים בתוך רצועה זו. ההערכה היא שלהבים אלה הם תוצאה להתלכדות חומר סביב ירחונים קטנים שאינם מסיביים דיים כדי לנקות את הטבעת מחומר אך הם מסיביים דיים למשוך אליהם חלקיקים קטנים כדי ליצור להבים אלה. פיזורם בטבעת אינו סימטרי בתוך הטבעת הם, מקובצים ברצועה שאורכה 3000 ק"מ. אורכו של הלהב הארוך בתצלום הוא 150 מטר (22).

ה- Streamers

ה- Streamers שאליהם התייחסנו בתיאור של טבעת F נמצאים גם בסביבתו של הירח פרומתאוס. כאשר ירח זה מגיע לנקודה המרוחקת שלו משבתאי, הוא קרוב לטבעת F. בנקודה זו כוח המשיכה שלו הוא חזק דיו כדי למשוך חומר מתוך גרעין הטבעת. בהתחלה חלקיקי חומר אלה נמצאים לפני הירח במסלול תנועתו, בהמשך הם מאחוריו מכיון שמהירות תנועת החומר נמוכה יותר מזה של פרומתאוס וצבירי חומר אלה מתארכים. היווצרותם של ה-Streamers היא במחזוריות זהה לזו של פרומתאוס. כאשר פרומתאוס מתקרב לנקודה המרוחקת הוא מושך חומר מהטבעת מכיון שמהירות הירח גדולה מזו של הטבעת, החומר נדחף אחורה (23).

ליקוי חמה לבדיקת הטבעות

בתום שנתיים של תצפיות על שבתאי הגיע רגע לו חיכו במיוחד החוקרים. זהו מצב בו שבתאי מסתיר את השמש. מבחינת החללית, ליקוי חמה. ליקוי זה נמשך 12 שעות, זמן ארוך דיו לצפייה בטבעות ולמפות את תנועת החלקיקים בתוכן. תצפית זו מאפשרת ללמוד פרטים חדשים ביחס לעברו של אנצלדוס ולתכנן מעברים עתידיים של הקסיני בין הטבעות עם נזק מינימלי ככל שניתן. במדידות אלה אפשר גם לחשוף את מבנה הטבעות. בתצפית מסוג זה חלקיקים קטנים ממקדים את האור ישר על הצופה ואפשר לצפות בטבעות דקיקות שבדרך כלל קשה לצפות בהן. טבעות אלה נהיות בהירות ואפשר להבחין בפרטים שונים שלהן. כל המרחב שבין אנצלדוס לטבעת G נחשף. אפשר לצלם את הטבעות כולן מטבעת E פנימה לעבר שבתאי. ידוע שטבעת E היא טבעת דלילה וכי היא משתרעת מעבר לטבעת G עד מעבר לאנצלדוס. על פניו נראה שירח זה הוא מקור החומר של הטבעת. באם הטבעת היא אחידה במבנה שלה המשמעות היא שפעילות הגייזרים היא קבועה לאורך זמן. באם ימצאו גושים או טבעות דקות המשמעות היא שקצב פליטת החומר אקראי (24).

מקורות

1. "Cassini changes earlier belief about Saturn A ring" 6.4.2006

2. "New – Cu-boulder study confirms first known belt of moonlets in Saturn ring" 25.10.07

3. PIA08243: The Huygens Gap

4. PIA08253: Saturn Shine

5. “Cassini ‘CAT scan’ maps clumps in Saturn rings” 22.5.07

6. PIA08325: A Twisted Tale

7. “Cassini uncovering more secrets of Saturn rings” 6.7.2006

8. “Cassini finds more light by telltale small particles” 12.10.2006

9. “Cassini sees collisions of moonlets on Saturn ring”

10. PIA08290: F ring dynamism

11. PIA08916: Moon at work