קורות החיים הסוערים של מערכת השמש

ממצאים חדשים מרמזים שהתקופות המוקדמות של מערכת השמש התאפיינו בכוכבי לכת נודדים ובהרס בין־פלנטרי אדיר.

איור של דסקה פרוטופלנטרית סביב כוכב צעיר. הדמייה: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle.
איור של דסקה קדם-פלנטרית סביב כוכב צעיר. הדמייה: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle.

מאת קונסטנטין בַּטיגין, גרגורי לַפלין, ואלסנדרו מוֹרבִּידֶלי, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 04.08.2016

  • שפע של עדויות חדשות, הן מהדמיות מחשב והן מצפייה בכוכבי לכת ברחבי הגלקסיה, חושפות פרטים חדשים על ההיסטוריה הדינמית והסוערת של מערכת השמש שלנו.
  • התצורה העכשווית של מערכת השמש,  שבה כוכבי לכת קטנים וסלעיים מצויים בחלקה הפנימי ואילו כוכבי לכת ענקיים מצויים בחלקה החיצוני, חריגה בהשוואה למרבית מערכות השמש האחרות שנצפו עד כה, שהמבנה שלהן שונה.
  • ההסבר הטוב ביותר למוזרות של מערכת השמש היא שכוכבי הלכת הענקיים עברו סדרה ממושכת של שינויי מסלול ושל אי יציבות דינמית לפני מיליארדי שנים.
  • ייתכן שבמהלך התהפוכות האלה נשאבו כוכבי לכת שלמים אל תוך השמש, ואילו אחרים ניתזו אל החלל הבין־כוכבי. ייתכן שלמאורעות האלה הייתה חשיבות מכרעת להופעתם של החיים על פני כדור הארץ ולראשית התפתחותם.
  • ועוד: האם כוכב לכת תשיעי במערכת השמש, שלאחרונה הועלתה השערת קיומו, מתאים לדעות העדכניות ביותר בדבר היווצרותה של מערכת השמש?

סיפור לידתה של מערכת השמש שלנו סוּפַּר שוב ושוב עד שנשחק במרוצת השנים. הוא מתחיל לפני מיליארדי שנים בענן שחור של גז ואבק הַסַב לאִטו על צירו. הענן קורס וכוכב נוצר במרכזו: השמש שלנו. עם הזמן, שמונה כוכבי לכת וגם עולמות קטנים יותר כמו פלוטו מגיחים משאריות הגז ומן הרסיסים החגים סביב הכוכב. המערכת הזאת של שמש וכוכבי לכת מסתובבת מאז בחלל ותנועותיה מדויקות וצפויות כשעון.

בשנים האחרונות הבחינו אסטרונומים ברמזים דקים שנוטים להפריך את הסיפור המוכר הזה. כשמשווים את מבנה מערכת השמש שלנו למבניהן של  אלפי מערכות שמש אחרות, מגלים שהמאפיינים הבולטים ביותר בזו שלנו – עולמות סלעיים הקרובים לשמש, ענקים גזיים הרחוקים ממנה והיעדר כוכבי לכת פנימה ממרקורי (כוכב חמה) – הם בעצם חריגים למדי. מבט לעברה של מערכת השמש שלנו באמצעות הדמיה ממוחשבת מלמד שהחריגות האלה הן תוצאה של נעורים פרועים למדי. השִכתוב המתהווה של ההיסטוריה של מערכת השמש כולל הרבה יותר דרמה וכאוס מכפי שמישהו ציפה.

ההיסטוריה החדשה היא סיפור של כוכבי לכת נודדים שגורשו ממולדתם, של עולמות אבודים שנהרסו בלהבות השמש לפני עידנים ושל כוכבי לכת ענקיים ובודדים שהוטחו אל מעמקיו הקפואים של החלל הבין־כוכבי. על ידי חקר המאורעות הקדומים האלה והצלקות שאולי הותירו, כמו ההשערה שהועלתה לאחרונה על אודות כוכב לכת תשיעישאולי מסתתר במסלול מרוחק מזה של פלוטו, מקבלים האסטרונומים גם תמונה לכידה של התקופות המכריעות והמעצבות במערכת השמש וגם הערכה חדשה של ההקשר הקוסמי שלה.

מערכת השמש הקלאסית

מערכת השמש. מקור: נאס"א.
מערכת השמש. מקור: נאס"א.

כוכבי לכת הם תוצר לוואי של היווצרות כוכבים. היווצרות כוכבים כזאת מתרחשת בלבם של עננים עצומים שמסתם גדולה פי 10,000 ממסת השמש שלנו המורכבים מחומרים מולקולריים. אזורים צפופים בליבת הענן יכולים לקרוס פנימה וליצור קדם־כוכב זוהר המוקף בטבעת אטומה של גז ואבק המכונה דיסקה קדם־פלנטרית.

עשרות שנים חיפשו התיאורטיקנים בטבעת הקדם־כוכבית הקדומה של מערכת השמש שלנו את ההסבר לאחד המאפיינים המובהקים ביותר שלה: החלוקה לשני סוגים של כוכבי לכת, סלעיים וגזיים. ארבעה עולמות מוצקים מצויים בין מסלוליהם של מרקורי ושל מאדים. את המסלולים האלה משלימים שני כוכבי הלכת האלה במשך 88 ו-687 יממות של כדור הארץ בהתאמה. לעומת זאת, כוכבי הלכת עתירי הגז המוכרים לנו נעים במסלולים רחוקים הרבה יותר, שהשלמתם אורכת 12 עד 165 שנות כדור הארץ. הם אוצרים מסה גדולה פי 150 מזו של כוכבי הלכת המוצקים.

עד כה סברו מדענים ששני מיני כוכבי הלכת מקורם בתהליך היווצרות אחד ויחיד שבו גרגרי אבק שהסתחררו בדיסקה הגזית ורבת המערבולות התנגשו זה בזה ואז נדבקו זה לזה ויצרו עצמים בקוטר כמה קילומטרים המכונים פְּלַנֶטִיסִימַלים. התהליך הזה דומה לתהליך המוכר לכולנו שבו צברי אבק נוצרים מזרמי אוויר וכוחות אלקטרוסטטיים על רצפת מטבח שלא טואטאה. לפְּלַנֶטִיסִימַלים הגדולים ביותר הייתה גם הכבידה החזקה ביותר ועד מהרה הם גדלו על ידי כך שספחו פיסות חומר שפגשו בעת שנעו במסלולם. התהליך הזה הוביל לכך שמיליון שנה בלבד לאחר שנוצרה מענן גז, הדיסקה הקדם־פלנטרית של מערכת השמש שלנו, כמו כל דיסקה מסוגה ביקום, הייתה גדושה בְּעוּבָּרִים של כוכבי לכת שגודלם כגודל הירח.

העוּבָּר הגדול ביותר היה מעבר לחגורת האסטרואידים של היום, במרחק גדול דיו מן האור והחום של השמש החדשה כך שקרח יוכל להתקיים באזור הדיסקה הקדם־פלנטרית שסביבו. מעבר ל"קו הקרח" הזה, עוּבָּרִים של כוכבי לכת אחרים יכלו לספוח עוד ועוד קרח ולהגיע לממדים עצומים. כמו באבחנה הידועה שהעשירים מתעשרים עוד יותר, כך גם הגדול שבעוברים היה מי שגדל הכי מהר, כששדה הכבידה החזק שלו שאב אליו במהירות את רוב הקרח, הגז והאבק הזמינים בסביבתו. בתוך כמיליון שנה בלבד, העובר הרעבתן גדל והיה לכוכב הלכת צֶדֶק. וזה היה, סברו התאורטיקנים, הרגע המכריע שבו נוצרה הארכיטקטורה המפוצלת של מערכת השמש שלנו. כוכבי הלכת הגדולים האחרים של השמש שלנו קטנים יותר מצֶדֶק משום שגדלו לאט יותר. כשהם הגיעו לגודל שבו כוח הכבידה שהפעילו כבר היה גדול דיו, כמות הגז הזמינה כבר קטנה במידה ניכרת משום שצֶדֶק כבר ספח את רוב הגז אליו. העולמות שנולדו בצִדו הפנימי של קו הקרח היו קטנים אף יותר משום שגדלו באזור שבו הדיסקה היתה דלילה יחסית בגז ובקרח.

חלקיקי אבק וחלקיקים גדולים יותר בדסקה הקדם-פלנטרית שהפכו בהמשך לפנטיסימלים - עצמים בקוטר כמה קילומטרים שמהם נוצרו כוכבי הלכת. מקור: נאס"א.
חלקיקי אבק וחלקיקים גדולים יותר בדסקה הקדם-פלנטרית שהפכו בהמשך לפנטיסימלים – עצמים בקוטר כמה קילומטרים שמהם נוצרו כוכבי הלכת. מקור: נאס"א.

למעט כמה פרטים טורדניים, כמו המסות הקטנות מאוד של מאדים ושל מרקורי, המודל הזה של "צֶדֶק־תחילה" נראֶה מניח את הדעת כהסבר למבנה מערכת השמש. הציפיה ממערכות של שמשות אחרות הייתה אפוא ברורה: כוכבי הלכת הענקיים שבהן צפויים להימצא במסלולים בעלי זמן הקפה ארוך מעבר לקו הקרח, ואילו עולמות סלעיים יימצאו במסלולים בני שנים אחדות או פחות מזה. אבל הציפייה הזאת, מתברר, הייתה שגויה.

מהפכה מחוץ למערכת השמש

כשאסטרונומים החלו לגלות כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש שלנו לפני יותר מ-20 שנה, הם גם העמידו את התיאוריה על היווצרות מערכת השמש למבחן בקנה מידה גלקטי. רבים מכוכבי הלכת הראשונים שהתגלו מחוץ למערכת השמש היו כוכבי לכת חמים דמויי צדק, שזכו לכינוי "צדקים חמים" (hot Jupiters): כוכבי לכת ענקיים העשויים גז אך מקיפים את שמשותיהם במחזור של כמה ימים בלבד. קיומם של כוכבי לכת ענקיים בקרבה לוהטת כל כך לפני השטח של הכוכב, שם אין קרח כלל, סותרת לגמרי את התיאור הקלאסי של היווצרות כוכבי לכת. בניסיון ליישב את הסתירה, הגיעו המדענים למסקנה שכוכבי הלכת האלה נוצרו הרחק מן השמש ולאחר מכן נדדו פנימה באופן כלשהו.

הדמייה של ענק הגזים החוץ שמשי CoRoT-2b, שמקיץ את הכוכב שלו במרחק של נמצא במרחק של כ-4 מיליון ק"מ בלבד, עם משך הקפה של 1.7 יום. עקב הקרבה הרבה לכוכב, ענק הגזים מאבד בכל שנייה אחת כ-5 מיליון טונות של חומר. מקור: Credit: X-ray: NASA/CXC/Univ of Hamburg/S.Schröter et al; Optical: NASA/NSF/IPAC-Caltech/UMass/2MASS, UNC/CTIO/PROMPT; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)
הדמייה של ענק הגזים החוץ שמשי CoRoT-2b, שמקיף את הכוכב שלו במרחק של כ-4 מיליון ק"מ בלבד, עם משך הקפה של 1.7 יום. עקב הקרבה הרבה לכוכב, ענק הגזים מאבד בכל שנייה אחת כ-5 מיליון טונות של חומר. מקור: Credit: X-ray: NASA/CXC/Univ of Hamburg/S.Schröter et al; Optical: NASA/NSF/IPAC-Caltech/UMass/2MASS, UNC/CTIO/PROMPT; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss).

יותר מזה, על סמך אלפי כוכבי לכת שהתגלו מחוץ למערכת השמש בסקירות כמו זו שערכה החללית קֶפְּלֶר של נאס"א, הולכת ומתחוורת היום למדענים האמת הבלתי נעימה שמערכות שמש הדומות לזו שלנו נדירות באופן יחסי. מערכת פלנטרית ממוצעת כוללת כוכב לכת על־ארצי (סופר־כדור־ארץ, כוכב לכת הגדול פי כמה פעמים מכדור הארץ) אחד או אולי שניים, והם בעלי מסלול קצר מ-100 ימים. ומצד אחר, רק לכ-10% מן השמשות יש מקבילות לענקים צֶדֶק ושבתאי ורק חלק קטן מאותן מקבילות נעות במסלולים מעגליים בקירוב.

משהתבדו תחזיותיהם, הבינו המדענים ש"כמה מן הפרטים הטורדניים" בתיאוריה הקלאסית על היווצרות מערכת השמש שלנו טעונים הסבר טוב יותר. מדוע החלק הפנימי של מערכת השמש שלנו עני כל כך במסה בהשוואה למקביליו במערכות אחרות, ויש בו רק עולמות סלעיים גמדיים יחסית ולא כוכבי לכת על־ארציים? מדוע אין בה כוכבי לכת פנימה ממסלולו בן 88 הימים של מרקורי? ומדוע מסלוליהם של כוכבי הלכת הענקיים שבמערכת השמש שלנו שלווים כל כך ומרוחקים מן השמש?

על סמך אלפי כוכבי לכת חיצוניים, הולכת ומתחוורת היום למדענים האמת הבלתי נעימה שמערכות שמש הדומות לזו שלנו נדירות באופן יחסי.

מתברר שתשובות לשאלות האלה טמונות אולי בכישלונה של התיאוריה הקלאסית של היווצרות כוכבי לכת להסביר את אופיין המשתנה והבלתי יציב של דיסקות קדם־פלנטריות. מתברר שכוכב לכת חדש, בדומה לסירת הצלה באוקיינוס, יכול להיסחף הרחק מנקודת המוצא שלו. מרגע שכוכב לכת הגיע לגודל מסוים, השפעתו הכבידתית מתפשטת סביבו בַּדיסקה ומחוללת גלים לולייניים המפעילים כוחות כבידה משלהם. כך נוצרים משובים חזקים, חיוביים ושליליים, בין כוכבי הלכת ובין הדיסקה. בד בבד, יכולים להתרחש חילופים בלתי הפיכים של תנע ושל אנרגיה המאפשרים לכוכבי לכת צעירים לצאת למסעות ארוכים בדיסקת הולדתם.

כשמביאים בחשבון את התופעה של נדידת כוכבי לכת, מתברר שקווי הקרח בדיסקות כבר אינם קובעים לבדם את הארכיטקטורה של המערכת הפלנטרית. למשל, כוכבי לכת ענקיים שנולדו מעבר לקו הקרח יכולים להפוך ל"צדקים חמים" אם ייסחפו פנימה, בדומה לגושי גז ואבק הנשאבים בצורה שבלולית אל השמש.

הבעיה היא שהתהליך הזה פועל כמעט טוב מדי ונדמה שזו תכונה נפוצה מאוד בקרב כל הדיסקות הקדם־פלנטריות. אם כך, איך אפשר להסביר את מסלוליהם הרחוקים של צֶדֶק ושל שבתאי במערכת השמש שלנו?

היפוך הכיוון הגדול

הסימן הראשון להסבר משכנע הגיע ב-2001 מהדמיה ממוחשבת שעשו פרדריק מאסֶט ומארק סְנֶלְגרוֹב שהיו אז באוניברסיטת קווין מרי בלונדון. מאסֶט וסְנֶלְגרוֹב בנו מודל של התפתחות המסלולים הסימולטנית של שבתאי ושל צֶדֶק בדיסקה הקדם־פלנטרית של השמש שלנו. בגלל שהמסה של שבתאי קטנה יותר, קצב הנדידה שלו פנימה מהיר יותר משל צֶדֶק, וככל שהנדידה מתקדמת, שני כוכבי הלכת מתקרבים זה לזה. בסופו של דבר מסלוליהם מגיעים לתיאום הקרוי "תהודה של תנועה ממוצעת" ובו צֶדֶק מקיף את השמש שלוש פעמים על כל שתי הקפות של שבתאי.

שני כוכבי לכת שתנועתם מקושרת באמצעות תהודה כזאת יכולים למסור תנע ואנרגיה זה לזה כמו במשחק מסירות בין־פלנטרי. בגלל אופיין המיוחד של הפרעות התהודה, מתקבל ששני כוכבי הלכת מפעילים השפעה כבידתית משותפת ומוגברת זה על זה ועל סביבתם. במקרה של צֶדֶק ושבתאי, הנדנדה הזאת אפשרה להם להטיח את משקלם יחד בדיסקה הקדם־פלנטרית ולפלס בה פער גדול, כשצֶדֶק פנימי יותר משבתאי. בנקודה זו, צֶדֶק, בהיותו כוכב הלכת הכבד יותר, הפעיל על החלק הפנימי של הדיסקה משיכה כבידתית חזקה יותר מזו שהפעיל שבתאי על חלקה החיצוני. באופן שמנוגד לאינטואיציה, הדבר גרם לשני כוכבי הלכת להפוך את כיוון נדידתם ולהתחיל להיסחף הרחק מן השמש. התנועה הזאת של פנימה ואז החוצה מכונה הרבה פעמים "היפוך הכיוון הגדול" על שום דמיונה לתנועה של סירת מפרש שמפנה את חרטומה כדי לשנות כיוון כנגד רוח קבועה.

ב-2011, עשר שנים אחרי שנהגה לראשונה רעיון היפוך הכיוון הגדול, הראתה הדמיית מחשב שעשו קווין ג' וולש, שעבד אז במצפה הכוכבים קוט ד'אזור בעיר ניס שבדרום צרפת, ועמיתיו, שהוא יכול להסביר יפה לא רק את ההיסטוריה הדינמית של צֶדֶק ושל שבתאי אלא גם את הפריסה של אסטרואידים סלעיים וקרחיים ואת המסה הקטנה של מאדים. כשצֶדֶק נדד פנימה, ההשפעה הכבידתית שלו לכדה פְּלַנֶטִיסִימַלים שנִקרו בדרכו. הוא הרים ודחף אותם קדימה כמו מפלסת שלג. אם נניח שצֶדֶק התקרב לשמש עד כדי קרבתו של מאדים אליה היום, ייתכן שהוא נשא עמו אל תוך האזור הסלעי של מערכת השמש חומרי בניין קפואים במסה כוללת הגדולה בערך פי עשרה ממסת כדור הארץ וכך זרע באזור הזה מים וחומרים נדיפים אחרים. התהליך הזה גם היה מתווה גבול חיצוני ברור לפריסת החומר המסוגל ליצור כוכבי לכת באזור הפנימי של הענן וקוטע את גדילתו של עוּבָּר פלנטרי סמוך, עוּבָּר שלימים היה  לכוכב הלכת הקרוי בפינו מאדים.

המתקפה הגדולה של צֶדֶק

אף על פי שתרחיש היפוך הכיוון הגדול נראה משכנע מאוד ב-2011, הקשר בינו ובין התעלומה הגדולה השנייה של מערכת השמש שלנו, ההיעדר המוחלט של כוכבי לכת פנימה ממרקורי, עדיין לא היה ברור. בהשוואה למערכות שמש אחרות הגדושות בכוכבי לכת על־ארציים בעלי מסלולים קרובים לשמש שלהם, שלנו נראית כמעט חלולה. למה? לכאורה מוזר שמערכת השמש שלנו לא השתתפה בתהליך השכיח של היווצרות כוכבי לכת שאנחנו רואים במקומות אחרים ביקום. ב-2015 שניים מאִתנו (באטיגין ולפלין) ניסו לחשוב מה היפוך הכיוון הגדול היה עושה לקבוצה של כוכבי לכת על־ארציים הקרובים לשמש. המסקנה המפתיעה שלנו הייתה שהם לא היו שורדים אותו. למרבה הפלא, נדידתו של צֶדֶק פנימה ואז החוצה יכולה להסביר תכונות רבות של כוכבי הלכת שכן מצויים במערכת, וכן גם תכונות של הנעדרים ממנה.

כשצֶדֶק צלל אל פנים מערכת השמש, פעולת מפלסת השלג שלו על הפְּלַנֶטִיסִימַלים שבדרכו היתה פורעת את מסלוליהם המסודרים והמעגליים ועושה מהם נחיל של נתיבים מסולסלים ומצטלבים. כמה מן הפְּלַנֶטִיסִימַלים היו מתנגשים זה בזה בעוצמה ומתנפצים לרסיסים שסופם להתנגש זה בזה ולהתנפץ לרסיסים קטנים עוד יותר. לכן נדידתו פנימה של צֶדֶק התחילה, ככל הנראה, שרשרת של התנגשויות שדילדלה את אוכלוסיית הפְּלַנֶטִיסִימַלים וכתשה אותם לסלעים, לאבנים ולחול.

ייתכן שהיפוך הכיוון הגדול של צֶדֶק ושבתאי הנחית מתקפה רבתי על אוכלוסייה קדמונית של כוכבי לכת על־ארציים.

הפְּלַנֶטִיסִימַלים, הנשברים והנשחקים מכתישת ההתנגשויות ומן החיכוך האווירודינמי שבתחום הגזי של פנים הדיסקה הקדם־פלנטרית, הלכו ואיבדו מן האנרגיה שלהם והסתחררו מטה אל השמש במפולת של דעיכת מסלולים. בנופלם, הם נלכדו בקלות בתהודות כבידתיות נוספות עם כוכבי לכת על־ארציים קרובי־שמש קדמונים.

אלה לא היו חדשות טובות  לכוכבי לכת אלו  משום שהנחילים הטפיליים האלה של שברי חומר ניזונו מאנרגיית התנועה המסלולית שלהם. הנחילים, שהגז הזורם בדיסקה האט אותם כל הזמן, היו אמורים לצנוח אל השמש. אבל בזכות התהודות שלהם עם כוכבי הלכת העל־ארציים, הם נשארו במקום ושאבו את אנרגיית המסלול של כוכבי הלכת ואז שיחררו אותה בהדרגה כחום מחיכוך אווירודינמי. התוצאה היתה שנחילי הפְּלַנֶטִיסִימַלים המפוררים דחפו ביעילות אכזרית את כוכבי הלכת לספירלות מוות. מסלוליהם של כוכבי הלכת האלה הלכו והתקרבו לשמש עד שנפלו לתוכה. לפי ההדמיות שעשינו אף לא אחד מאותם כוכבי לכת משוערים היה שורד יותר מכמה מאות אלפי שנים מתחילתה של סדרת ההתנגשויות.

משום כך, ייתכן שהיפוך הכיוון הגדול של צֶדֶק ושבתאי הנחית מתקפה רבתי על אוכלוסייה קדמונית משוערת של כוכבי לכת על־ארציים וקרובים לשמש שהייתה קיימת במערכת שלנו. אם אותם כוכבי לכת על־ארציים קדמונים דעכו כך אל השמש, הם היו משאירים אחריהם בערפילית השמש חלל בלתי מיושב המשתרע עד מסלול של 100 ימים בערך. כתוצאה מכך, מעברו ביעף של צֶדֶק ברחבי מערכת השמש הצעירה יצר טבעת צרה באופן יחסי של פיסות חומר סלעי, וממנה התגבשו כוכבי הלכת הסלעיים מיליוני שנים אחר כך. בשל רצף המאורעות האקראיים הנחוץ למחול העדין הזה, כוכבי לכת קטנים וסלעיים כדוגמת כדור הארץ – ואפשר שגם הימצאותם של חיים בכלל – הם נדירים ביקום.

המודל של ניס

כשצֶדֶק ושבתאי פילסו את דרכם בחזרה מן הטיול בפנים מערכת השמש, דיסקת הגז והאבק שסביבם כבר החלה להידלדל. בני הזוג צֶדֶק ושבתאי, הקשורים זה לזה בתהודה, פגשו לבסוף באורנוס ובנפטון החדשים, וייתכן שגם בגרם שמים נוסף, הדומה להם בגודלו. בעזרת השפעות הכבידה של הגז המתפוגג, כלא הצמד הדינמי גם את שני הענקים הקטנים יותר בתהודה שלו. וכך, בעוד מרבית הגז שבדיסקה נעלם, התגבש כנרה המבנה של פנים מערכת השמש: טבעת של שברי סלע שמיקומה היה בערך היכן שעובר מסלולו של כדור הארץ היום. בפאתי המערכת, שרשרת צפופה של לפחות ארבעה כוכבי לכת ענקיים, הקשורים זה לזה בתהודה, חגו במסלולים כמעט מעגליים בין מסלולו של צֶדֶק היום ועד אמצע המרחק ממנו למסלולו של נפטון היום. מעבר למסלולו של הענק המרוחק ביותר, הפְּלַנֶטִיסִימַלים הקרחיים, הקפואים, של חלקה החיצוני של הדיסקה היו פרוסים עד קצה המערכת. במשך מאות מיליוני שנים, נוצרו כוכבי הלכת הסלעיים. העולמות המרוחקים יותר, בעלי העבר הפראי, נרגעו והתייצבו במצב שהיה יכול להיות יציב לאורך זמן. אבל רצה הגורל ולא היה זה השלב האחרון באבולוציה של מערכת השמש שלנו.

היפוך הכיוון הגדול והמתקפה הגדולה דאגו לעוד פֶרֶץ אחרון של אלימות בין כוכבי הלכת בתולדות מערכת השמש: נגיעת ליטוש שהביאה את פמליית העולמות של השמש לתצורה קרובה לזו שאנחנו רואים היום. הפרץ האחרון הזה מכונה "ההפצצה הכבדה המאוחרת". מדובר בתקופה של לפני  3.8 עד 4.1 מיליארד שנה שבה מערכת השמש הפכה באופן זמני למטווח מלא במטחים של פְּלַנֶטִיסִימַלים. את הצלקות שנותרו מן התקופה ההיא אנו רואים היום במכתשים הענקיים המנקדים את הירח של כדור הארץ.

התגובות בין כוכבי הלכת הגדולים היו אלימות כל כך עד שייתכן כי אחד או יותר נפלטו החוצה אל מעבר לגבול החלל הבין־כוכבי.

ב-2005, הפיק אחד מאִתנו (מורבידלי) בעבודה עם כמה עמיתים במצפה הכוכבים קוט ד'אזור בניס מודל המסביר איך יחסי הגומלין בין כוכבי הלכת הענקיים היו יכולים להביא להפצצה הכבדה המאוחרת. בנקודה שהיפוך הכיוון הגדול מסתיים, מתחיל המודל של ניס.

בין כוכבי הלכת הענקיים, הסמוכים זה לזה, עדיין הייתה תהודה והם עדיין חשו במשיכת כבידה מסוימת מן הפְּלַנֶטִיסִימַלים הקרחיים שבשולי המערכת. ואולם, התהודה בין כוכבי הלכת האלה הייתה בשיווי משקל לא יציב שכל שינוי קטן יכול היה לערער. במצטבר על פני מיליוני מסלולים במשך מאות מיליוני שנים, כל משיכה של פְּלַנֶטִיסִימַל – שלבדה כמעט אינה מורגשת – הסיטה הסטה קלה את תנועת כוכבי הלכת הגדולים וכירסמה עוד טיפה באיזון העדין של התהודה הכורכת אותם יחד. נקודת המפנה התרחשה כשאחד הענקים יצא מתהודתו עם אחד האחרים, מה שהפר את האיזון והתחיל סדרה כאוטית של הפרעות שדחפו את צֶדֶק מעט פנימה ופיזרו את הענקים האחרים החוצה. בפרק זמן קצרצר בקנה מידה קוסמי, כמה מיליוני שנים, עבר חלקה החיצוני של מערכת השמש מעבר מטלטל ממצב צפוף וכמעט מעגלי לתצורה נרחבת ובלתי מסודרת שיש בה כוכבי לכת בעלי מסלול רחב ואליפטי. האינטראקציות בין כוכבי הלכת הגדולים היו אלימות כל כך עד שייתכן שאחד או יותר נפלטו החוצה אל החלל הבין־כוכבי.

אילו ההתפתחות הדינמית היתה נעצרת כאן, המבנה של חלקה החיצוני של מערכת השמש היה מתאים היטב למגמות שאנחנו רואים בכוכבי לכת ענקיים במערכות אחרות, שרבים מהם חגים במסלולים אליפטיים סביב השמשות שלהם. אבל למרבה המזל, דיסקת הפְּלַנֶטִיסִימַלים הקרחיים שהתחילה את האנדלמוסיה גם סייעה להשיב את הסדר בסדרה של פעולות גומלין בין המסלולים האליפטיים של כוכבי הלכת הענקיים. מרבית הפְּלַנֶטִיסִימַלים שחלפו סמוך לכוכבי הלכת הענקיים הושלכו החוצה, מה שהלך והקטין לאט לאט את אנרגיית המסלול של כוכבי הלכת האלה ומִרכז מחדש את מסלוליהם. אמנם מרבית הפְּלַנֶטִיסִימַלים נפלטו אל מעבר להשגת הכבידה של השמש, אך מקצתם נשארו במסלולים סגורים ויצרו את דיסקת השברים הקרחיים שאנחנו קוראים לה היום בשם חגורת קוּיפֶּר.

כוכב לכת תשיעי, תאוריה אחרונה

עבודת תצפית סבלנית בטלסקופים הגדולים ביותר הולכת ומגלה את מלוא מרחביה של חגורת קויפר וחושפות אט־אט מבנה בלתי צפוי. בעיקר, אסטרונומים הבחינו בדפוס יוצא דופן בקרב העצמים המרוחקים ביותר בחגורה זו, המצויים ממש על גבול התצפית מכדור הארץ. על אף שמרחקי העצמים האלה מן השמש שונים זה מזה, המסלולים שלהם מקובצים יחד, כאילו כולם מושפעים מהפרעה כבידתית משותפת חזקה מאוד. הדמיות מחשב שעשו בטיגין ומייקל א' בראון מן המכון הטכנולוגי של קליפורניה הראו שמצב עניינים זה יכול להיות תוצאה טבעית של כוכב לכת תשיעי שטרם נצפה, בעל מסה גדולה פי עשרה בערך מזו של כדור הארץ ומסלול הקפה אליפטי סביב השמש שזמן המחזור שלו הוא כ-20,000 שנה. לא סביר שכוכב לכת כזה נוצר במרחק כה גדול מן השמש, אבל אפשר בהחלט לסווג אותו כגולה שנפלט ממקום קרוב יותר למרכז בצעירותה של מערכת השמש.

אם תאושש ההשערה הזאת, קיומו של כוכב לכת תשיעי המקיף את השמש יהדק במידה ניכרת את האילוצים שעל פיהם אנחנו מבינים את מערכת השמש המוזרה והחלולה שלנו. הדבר יציב גבולות חדשים לתיאוריות שאפשר לרקום כדי להסביר את כל התופעות החריגות הקיימות בה.

אפילו ברגע זה משתמשים האסטרונומים בכמה מן הטלסקופים הגדולים ביותר בעולם כדי לנסות  לגלות את העולם המשוער הזה. אם יתגלה, אפשר שהוא יסמן את הפרק הלפני אחרון בסיפור הארוך והמסובך של מציאת מקומנו ביקום. אחריו יוכל לבוא רק הסיכום שעוד לא נכתב כשסוף־סוף נמצא עולמות חיים המקיפים שמשות אחרות.

כמו גדילי דנ"א שפענוח הרצפים בהם מגלה את סיפורי הנדודים העתיקים של המין האנושי על פני כוכב הלכת הקטן שלנו, הרמזים האסטרונומיים מאפשרים להדמיות המחשב שלנו לשחזר את סאגת הנדודים מלאת ההוד של כוכבי הלכת במהלך חייה בני מיליארדי השנים של מערכת השמש שלנו. למן לידתה בעננים מולקולריים מתערבלים והיווצרות כוכבי הלכת הראשונים ועד כאבי הגדילה מנפצי העולמות של היפוך הכיוון הגדול, ועד המתקפה הגדולה ומודל ניס ועד הופעת החיים והתודעה סביב שמש אחת לפחות בשביל החלב העצום. קורות החיים השלמים של מערכת השמש שלנו יהיו אחד ההישגים החשובים ביותר של המדע המודרני – וללא ספק אחד הסיפורים הגדולים ביותר שאפשר בכלל לספר.

כוכב הלכת תשע מן החלל החיצון

האם "כוכב לכת תשע", שלאחרונה הועלתה השערת קיומו, מתאים לדעות העדכניות ביותר בדבר היווצרותה של מערכת השמש?

איור אמן של כוכב הלכת התשיעי האפשרי במערכת השמש שלנו. איור:רוברט הרט, קאלטק.
איור אמן של כוכב הלכת התשיעי האפשרי במערכת השמש שלנו. איור:רוברט הרט, קאלטק.

מאת מייקל ד' למוניק

הרעיון שמערכת השמש סודרה מחדש באופן קיצוני כל כך בעבר הרחוק יכול להסביר גם את קיומם של חגורת קויפר וענן אוּרְט (מעטפת של עצמים קרחיים המצויה בשוליה המרוחקים של מערכת השמש) וגם את ההפצצות העתיקות שידעו כוכבי הלכת הפנימיים לפני מיליארדי שנים ואת מה שנראה כהיעדרם של כוכבי לכת מן הסוג המכונה על־ארץ, או סופר כדור ארץ, המצויים בשפע במערכות שמש אחרות. אבל עכשיו יש למדענים הפלנטריים אתגר אחר להתמודד אִתו: כוכב לכת משוער, שמסתו אולי גדולה פי עשרה ממסת כדור הארץ, החג במסלולו באזורים החשוכים שמעבר לפלוטו. אם הוא קיים, הכבידה של אותו כוכב לכת, המכונה בינתיים "כוכב לכת תשע", יכולה להיות הסיבה לכך שמסלוליהם סביב השמש של כמה עצמים ידועים בחגורת קויפר דומים זה לזה באופן מחשיד.

אבל ייתכן שקיומו יוכל לספק עוד רמז לטלטלות שידעה מערכת השמש בראשית ימיה. יש לשער שכוכב הלכת המסיבי הזה, שמרחקו המינימלי מן השמש מוערך בכ-30 מיליארד קילומטרים, פי חמישה ממרחקו הממוצע של פלוטו מן השמש, לא נוצר שם. פשוט לא היה די חומר לבנות אותו. "אם הוא שם," אומר הרולד פ' לווינסון, תאורטיקן של היווצרות כוכבי לכת ממכון המחקר סאות'ווסט, "הרי שככל הנראה הוא נוצר באזור שבין חמישה ל-20 [מרחקי כדור הארץ מן השמש] ונהדף החוצה על ידי [אינטראקציה כבידתית עם] צֶדֶק או עם שבתאי."

על עניין האינטראקציה הזאת אין מחלוקת. לצֶדֶק, בפרט, יש מסה גדולה כל כך, אומר סקוט טרמיין, מן המכון למחקר מתקדם באוניברסיטת פרינסטון שבניו ג'רזי, ש"לא משנה לו אם הוא מעיף שביט או כוכב לכת כבד פי עשרה מכדור הארץ." אבל כוכב לכת שנזרק החוצה בדרך כלל ימשיך וייפלט בסופו של דבר לחלל הבין־כוכבי. הסיכוי שבמקום זאת הוא ייכנס למסלול סביב השמש קטן ביותר. מבחינה סטטיסטית, אומר לווינסון, הסיכוי הוא אחד ל-50 או ל-100, מה שנחשב בעיניו סבירות נמוכה.

אם האסטרונומים יראו, הלכה למעשה, את כוכב הלכת התשיעי בטלסקופ, תתבטל שאלת הסבירות כמובן. ובכל זאת, השאלה איך קורה דבר כל כך בלתי סביר היא שאלה שהתאורטיקנים יצטרכו לתת עליו את הדעת. "הניחוש שלי," אומר טרמייין, "הוא שתהליך ההרחקה יעיל יותר ממה שהמודל המקובל מלמד" – כלומר, שיעור גבוה יותר של עצמים שהוטסו החוצה מצליח להישאר במערכת מכפי שחושבים כולם.

הדרך שבה אולי זה קורה, לדעתו של בן ברומְלי מאוניברסיטת יוטה, היא אם כוכב הלכת העל־ארצי ניתז החוצה בשלב מוקדם מאוד בחיי מערכת השמש, לפני שהגז בדיסקה הקדם־פלנטרית שהתקבץ לכוכבי לכת התפוגג. אם אותו כוכב לכת על־ארצי ניתז החוצה בתקופה הזאת, אומר ברומלי, "אולי הייתה לו אינטראקציה עם הגז והוא התיישב בשוליים של מערכת השמש."

או שאולי, אומר ניית'ן קייב, תאורטיקן ממכון קרנגי למדעים בעיר וושינגטון, כוכב לכת תשע, אם הוא קיים, לא בא ממערכת השמש שלנו. השמש לא נוצרה לבדה אלא בצביר של אלפי כוכבים אולי, שלכל אחד מהם (סביר להניח) מערכת כוכבי לכת משלו. לפחות כמה מאותן מערכות בוודאי עברו תהפוכות גם הן והתיזו החוצה עצמים כמו שהשמש שלנו עשתה, על פי ההשערות. "את העצמים אלה," אומר קייב, "אולי לכדה השמש שלנו."

ההסבר הטוב ביותר תלוי במה שנגלה על אודות המסלול של כוכב לכת תשע; המשערים את קיומו חישבו רק טווח של אפשרויות. אם הוא אכן קיים, המדענים כנראה יוכלו להבין איך הוא הגיע למקום שבו הוא מצוי. התשובה לשאלה אם כוכב לכת תשע מתאים לרעיונות העכשוויים בדבר מערכת השמש הקדומה "היא ללא ספק אולי," אומר טריימן.

מייקל ד' למוניק הוא עורך מדור דעות בסיינטיפיק אמריקן

טוב לדעת

המבנה המפוצל לשניים של מערכת השמש שלנו, כוכבי לכת סלעיים הקרובים באופן יחסי לשמש וענקי גז הרחוקים ממנה, שבעבר סברו שהוא המבנה הנפוץ ביקום כולו, מייחד אותה דווקא. כוכבי לכת בינוניים המכונים כוכבי לכת על־ארציים, הם, כנראה, כוכבי הלכת הנפוצים ביותר בשביל החלב, אבל את השמש שלנו לא מקיף אפילו אחד כזה. ולעומת השמש שלנו, שכוכב הלכת הקרוב ביותר אליה הוא מרקורי, למרבית השמשות יש כוכבי לכת קרובים הרבה יותר. מסלוליהם של כוכבי הלכת בחבורה המשונה של השמש שלנו נוטים להיות פרוסים יותר ומעגליים יותר מאשר במערכות שמש אחרות. יחסי גומלין בין־פלנטריים מסובכים שהתקיימו בימי צעירותה של מערכת השמש שלנו יכולים להסביר את החריגה הזאת מן המקובל.

על הכותבים

קונסטנטין בַּטיגין – פרופסור משנה למדעים פלנטריים במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק). מחקריו עוסקים בעיקר בהיווצרותן של מערכות פלנטריות ובהתפתחותן הדינמית. כשאינו מלמד וחוקר, הוא נהנה להרעיש בגיטרה.

גרגורי לַפלין – פרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה באוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז. מחקריו מתמקדים בגילוי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש ואִפיונם. יש לו בלוג פופולרי על כוכבי לכת (במובן הרחב של המילה): www.oklo.org.

אלסנדרו מוֹרבִּידֶלי– מדען כוכבי לכת שעובד במצפה קוט ד'אזור בניס שבצרפת. הוא חבר באקדמיה הצרפתית למדעים וגם באקדמיה הבלגית למדעים. פיתח מודלים מובילים להדמיית שלביה השונים של התפתחות מערכת השמש.

לקריאה נוספת

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

דילוג לתוכן