www.rtebz.com
דברים מוזרים קרו במערכת השמש החיצונית כשהיא נולדה לראשונה. ה ענקי קרח, אורנוס ונפטון, הם שני כוכבי הלכת הגדולים החיצוניים ביותר של משפחת השמש שלנו, ובגודלם, בתפזורת, בהרכב ובמרחק הגדול מהכוכב שלנו, הם דומים מאוד. שני העולמות הרחוקים שונים בבירור מרביעיית כוכבי הלכת הפנימיים הסלעיים הקטנים – מרקורי, נוגה, כדור הארץ ומאדים – כמו גם מצמד כוכבי הלכת ענקי הגז, צדק ושבתאי. אניענקיות ce הם כוכבי לכת המכילים יסודות כבדים יותר ממימן והליום, כגון חמצן, פחמן, חנקן וגופרית. למרות ששני כוכבי הלכת צריכים להיות תאומים כמעט זהים, הם לא. בפברואר 2020, צוות של מדענים פלנטריים מאוניברסיטת ציריך בברן, שוויץ, אמר לעיתונות שהם מאמינים שגילו מדוע.
“יש… הבדלים בולטים בין שני כוכבי הלכת שדורשים הסבר”, הגיב ד”ר כריסטיאן ריינהרדט בפברואר 2020 PlanetS Press Release. ד”ר ריינהרדט למד את אורנוס ונפטון עם ד”ר אליס צ’או, ד”ר יואכים סטדל וד”ר רוית הלד, כולם. PlanetS חברים העובדים באוניברסיטת ציריך, המכון למדעי החישוב.
ד”ר סטדל הגיב באותה תגובה הודעה לעיתונות של PlanetS שאחד ההבדלים הבולטים בין שני כוכבי הלכת הוא ש”אורנוס והלוויינים העיקריים שלו מוטים כ-97 מעלות לתוך מישור השמש וכוכב הלכת מסתובב למעשה לאחור ביחס לשמש”.
בנוסף, מערכות הלוויין של הצמד הרחוק שונות. הלוויינים העיקריים של אורנוס נמצאים במסלולים קבועים ומוטים עם כוכב הלכת, מה שמרמז שהם נוצרו מדיסקה, בדומה לירח כדור הארץ. לעומת זאת, טריטון – הירח הגדול ביותר של נפטון – נוטה מאוד, ולכן נחשב לחפץ שנתפס. טריטון גם מציג קווי דמיון חשובים לרחוקים כוכב לכת גמד קרח, פלוטו, מה שמרמז שייתכן שהשניים נולדו באותו אזור – ה חגורת קויפר שנמצא מעבר למסלולו של נפטון, והוא הבית הקפוא והמואר במעומעם של אינספור גרעיני שביט, כוכבי לכת קטנים קטנים וגופים קפואים אחרים. מדענים פלנטריים צופים שבעתיד מסלולו של טריטון יתכלה עד כדי כך שהוא יתרסק לתוך כוכב-האב המאומץ שלו.
בנוסף להבדלים אחרים, אורנוס ונפטון עשויים להיות שונים גם ביחס לשטפי החום והמבנה הפנימי.
ענקי קרח
באסטרופיזיקה ובמדע הפלנטרי המונח “קרח” מתייחס לתרכובות כימיות נדיפות בעלות נקודות קיפאון מעל סביבות 100 K. תרכובות אלו כוללות מים, אמוניה ומתאן, עם נקודות הקפאה של 273 K, 195 K ו-91 K, בהתאמה. עוד בשנות ה-90, מדענים הגיעו לראשונה להבנה שאורנוס ונפטון הם מעמד נפרד של כוכב לכת ענק, שונה מאוד משני תושבי הענק האחרים של משפחת השמש שלנו, צדק ושבתאי. התרכובות המרכיבות את הצמד של ענקי קרח היו מוצקים כאשר הם שולבו בעיקר בשני כוכבי הלכת במהלך היווצרותם העתיקה – ישירות בצורה של קרח או עטופה בקרח מים. נכון לעכשיו, מעט מאוד מהמים באורנוס ובנפטון נשאר בצורת קרח. במקום זאת, מים קיימים בעיקר כנוזל על קריטי בטמפרטורות ובלחצים שבתוכם.
ההרכב הכללי של הצמד של ענקי קרח הוא רק כ-20% מימן והליום במסה. זה שונה באופן משמעותי מההרכב של שני ענקי הגז של מערכת השמש שלנו. צדק ושבתאי הם שניהם יותר מ-90% מימן והליום במסה.
המודל של היסטוריית ההיווצרות של כוכבי הלכת הארציים וענקי הגז המאכלסים את מערכת השמש שלנו הוא פשוט יחסית. בדרך כלל חושבים שרביעיית כוכבי הלכת הארציים נולדה כתוצאה מהתנגשויות ומיזוגים של פלנטזימלים בתוך ה דיסק צבירה פרוטופלנטרי. ה דיסק צבירה המקיף את השמש היילוד שלנו הייתה מורכבת מגזים ואבק, ולכתמי האבק העדינים ביותר הייתה “דביקות” טבעית. חלקיקי האבק הזעירים התנגשו זה בזה והתמזגו ויצרו גופים שגדלו בהדרגה בגודלם – מגודל חלוקי אבן, לגודל סלע, לגודל ירח, ובסופו של דבר לגודל כוכב הלכת. הסלעי והמתכתי פלנטזימלים של מערכת השמש הקדמונית שימשו כ”זרעים” שמהם צמחו כוכבי הלכת הארציים. אסטרואידים הם השרידים המתמשכים של אוכלוסיית הסלעים והמתכתיים שהייתה פעם בשפע פלנטסימלים שהפך בסופו של דבר למרקורי, נוגה, כדור הארץ ומאדים.
לעומת זאת, מאמינים ששני כוכבי הלכת ענקי הגז של מערכת השמש שלנו, כמו גם ענקי הגז החוץ-שמשיים שמקיפים כוכבים מעבר לשמש שלנו, התפתחו לאחר היווצרות ליבות מוצקות ששקלו בערך פי 10 מסה של כדור הארץ. לכן, הליבות של ענקי הגז, כמו צדק ושבתאי, נוצרו כתוצאה מאותו תהליך שיצר את כוכבי הלכת הארציים–תוך הצטברות מעטפות גזיות כבדות מערפילית השמש הסביבתית במשך כמה עד כמה מיליוני שנים. עם זאת, ישנם מודלים חלופיים של היווצרות ליבה המבוססים על הצטברות חלוקים שהוצעו לאחרונה. לחלופין, ייתכן שחלק מכוכבי לכת ענקיים הופיעו כתוצאה מכוח הכבידה הִצטַבְּרוּת דִיסק חוסר יציבות.
הלידה של אורנוס ונפטון באמצעות תהליך דומה של הצטברות הליבה היא הרבה יותר מסובכת – ובעייתית. מהירות הבריחה לראשית הקטן פרוטופלנטות (עדיין יוצרים כוכבי לכת תינוקות) הממוקמים כ-20 יחידות אסטרונומיות (AU) ממרכז מערכת השמש שלנו היה ניתן להשוות למהירויות היחסיות שלהם. גופים כאלה שחוצים את מסלוליהם של צדק או שבתאי היו יכולים להישלח למסלולים היפרבוליים שירו אותם מייללים אל מחוץ למשפחת השמש שלנו לגמרי, אל החושך הקפוא של החלל הבין-כוכבי. לחלופין, גופים כאלה, שנלכדו על ידי צמד ענקי הגז, היו כנראה נספגים לתוך צדק או שבתאי – או נזרקים למסלולי שביט מרוחקים מעבר לנפטון. אחד AU שווה למרחק הממוצע בין כדור הארץ לשמש, שהוא כ-93,000,000 מיילים.
מאז 2004, למרות המודל הבעייתי של היווצרותם, חוצנים רבים ענק קרח מועמדים נצפו מסביב לכוכבים רחוקים. זה מצביע על כך שהם עשויים להיות תושבים נפוצים של גלקסיית שביל החלב שלנו.
תוך התחשבות באתגרי המסלול של פרוטופלנטות ממוקם 20 AU או יותר ממרכז מערכת השמש שלנו, סביר להניח שאורנוס ונפטון נולדו בין מסלוליהם של צדק ושבתאי, לפני שפוזרו בכוח הכבידה לתחומים הרחוקים, האפלים והקפואים יותר של משפחת השמש שלנו.
שני עולמות שונים
“לעתים קרובות מניחים ששני כוכבי הלכת נוצרו בצורה דומה”, ציינה ד”ר אליס צ’או בפברואר 2020 הודעה לעיתונות של PlanetS. סביר להניח שזה יסביר את ההרכבים הדומים שלהם, מרחקי מסלול ממוצעים מהשמש שלנו, ואת המסות הדומות שלהם.
אבל איך אפשר להסביר את ההבדלים ביניהם?
מערכת השמש הקדמונית שלנו הייתה “גלריית יריות קוסמית”, שבה פגיעות של עצמים מתרסקים היו התרחשויות תכופות – וזה נכון גם למערכות פלנטריות זרות מעבר לשמש שלנו. מסיבה זו, פגיעה ענקית קטסטרופלית הוצעה בעבר כמקור להבדלים המסתוריים בין אורנוס לנפטון. עם זאת, עבודה קודמת חקרה רק את ההשפעות על אורנוס או הייתה מוגבלת בגלל הפשטות חזקות ביחס לחישובי ההשפעה.
בפעם הראשונה, צוות המדענים הפלנטריים באוניברסיטת ציריך חקר מגוון של התנגשויות שונות על שניהם אורנוס ונפטון באמצעות הדמיות מחשב ברזולוציה גבוהה. החל בהשפעה דומה מאוד ענקי קרח הם הדגימו פגיעה של גוף בעל מסה פי 1-3 מכדור הארץ שניהם אורנוס ונפטון יכולים להסביר את ההבדלים.
במקרה של אורנוס, התנגשות מרעה תטה את כוכב הלכת אך לא תשפיע על הפנים שלו. בניגוד דרמטי, התנגשות חזיתית בעברו של נפטון, תשפיע על הפנים שלו, אבל לא תיצור דיסק. זה עולה בקנה אחד עם היעדר ירחים גדולים על מסלולים קבועים כפי שניתן לראות בנפטון. התרסקות קטסטרופלית שכזו, שחילצה את פנים העמוק של כוכב הלכת שעבר טראומה, מוצעת גם על ידי שטף החום הנצפה הגדול יותר של נפטון.
משימות עתידיות של נאס”א ושל סוכנות החלל האירופית (ESA) לאורנוס ולנפטון יכולות לספק אילוצים חדשים וחשובים על תרחישים אלה, לשפר את ההבנה שלנו לגבי היווצרות מערכת השמש, וגם לספק לאסטרונומים הבנה טובה יותר של כוכבי לכת אקזו-כוכבים בטווח המסה המסוים הזה.
“אנו מראים בבירור שמסלול היווצרות דומה בתחילה לאורנוס ולנפטון יכול לגרום לדיכוטומיה הנצפית במאפיינים של כוכבי הלכת החיצוניים המרתקים הללו”, הגיבה ד”ר רוית הלד לעיתונות בפברואר 2020.
מחקר זה פורסם בגיליון 22 בנובמבר 2019 של הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה (MNRAS) תחת הכותרת “התפצלות בהיסטוריה של אורנוס ונפטון: תפקידם של כוכבי לכת ענקיים.”
