Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 31 במאי, 2019

כיצד מגלים פְּלָנֶטָה שֶׁחָגָה סביב כוכב רחוק?

תַקצִיר

לאחרונה התגלו אלפי פלנטות שמקיפות כוכבים רחוקים. אנו קוראים לפלנטות הרחוקות האלה אֶקְזוֹפלנטות (או כוכבי לֶכֶת חוץ-שִׁמְשִׁיים). מרבית האקזופלנטות נמצאו על-ידי התבוננות בשינויים קטנטנים בבהירוּת של כוכבים. כאשר אקזופלנטות עוברות בין הכוכב שלהן לבין כדור הארץ הן חוסמות חלק קטן מאור הכוכב, מה שגורם לירידה קלה בבהירוּת של הכוכב. אירועי מַעֲבָר כאלה של אקזופלנטות גילו שהפלנטות הנפוצות ביותר שחגות סביב כוכבים דמויי-שמש הן קצת יותר גדולות מכדור הארץ, וקצת יותר קטנות מנפטוּן – שלא כמו אף פלנטה במערכת השמש שלנו.

מדוע כל כך קשה למצוא פלנטות שחגות סביב כוכבים רחוקים?

במשך אלפי שנים ידענו על קיומן של פלנטות אשר חגות סביב השמש במערכת השמש שלנו, אולם רק בשנת 1995 נמצאה פלנטה שחגה סביב כוכב דמוי-שמש רחוק. מציאת פלנטות שחגות סביב כוכבים רחוקים היא קשה מאַחַר שהפלנטות הן הרבה יותר עמוּמוֹת מהכוכבים שהן חגות סביבם, וגם הכוכבים וגם הפלנטות רחוקים מאוד מאיתנו. זה קצת כמו לנסות למצוא בלילה זבוב שעף ליד אורות של מכונית ממרחק של 150 קילומטרים! אז איך אנו אמורים למצוא עולמות אחרים?

ליקוי אחד קטן מוביל לפריצת דרך גדולה

פריצת דרך התרחשה בשנת 2000, כאשר אסטרונומים כיוונו את הטלסקופים שלהם לכוכב שנקרא HD 209458. HD 209458 הוא קצת יותר גדול וחם מֵהַּשֶׁמֶש, והוא ממוקם במרחק של כ-150 שנות אור מאיתנו בקבוצת הכוכבים פֶּגָסוּס. האסטרונומים מדדו את הבהירוּת של הכוכב בזהירוּת רבּה – עם דיוק מספיק גבוה כדי לזהוֹת שינויים שקטנים מ-1% בבהירותו של הכוכב. הם מדדו את הבהירות של הכוכב בִּשְׁנֵי ערבים שונים, ומצאו שהכוכב נעשה עמום יותר בערך ב-1.5% במשך 3 שעות לפני שהוא חזר לבהירות הרגילה שלו [1].

השינוי הקטנטן הזה בבהירוּת, שאותו אפשר לראות באיור 1, היה תגלית ענקית מֵאַחַר שהוא נגרם על-ידי פלנטה שעברה בין כדור הארץ לבין HD 209458. כשהפלנטה חסמה את אור הכוכב מ-HD 209458 האסטרונומים בכדור הארץ מדדו כמות מעט קטנה יותר מהרגיל של אור כוכב. כמות אור הכוכב החסרה אומרת לאסטרונומים כמה גדולה הפלנטה. אם הפלנטה גדולה מאד היא חוסמת הרבה מאור הכוכב, ואם הפלנטה קטנה יותר, כמו כדור הארץ, היא חוסמת רק חלק קטן מאוד מאור הכוכב. כאשר פלנטה עוברת לפני כוכב וחוסמת את האור שלו אנו קוראים לאירוע הזה מַעֲבָר.

איור 1 - האיור הזה מציג מדידות כפונקציה של הזמן עבור הכוכב HD 209458.
  • איור 1 - האיור הזה מציג מדידות כפונקציה של הזמן עבור הכוכב HD 209458.
  • אתם יכולים לראות שהבהירוּת של הכוכב ירדה במשך זמן מה מתחת לבהירוּת הרגילה שלו (כלומר מתחת לרמת בהירות של 1.0), לפני שחזרה לבהירות רגילה. הירידה בבהירות היא אירוע הַמַּעֲבָר שהתרחש מאחר שאקזופלנטה בגודל של כוכב צדק, שחגה סביב HD 209458 חסמה חלק מאור הכוכב [1]. brightness = בהירוּת.

כמות האור שהייתה חסרה מ-209458 HD (1.5%) הייתה חייבת להיגרם על-ידי פלנטה גדולה יותר מכוכב צֶדֶק – כוכב הלכת הגדול ביותר במערכת השמש שלנו. הפלנטה הזו מְכֻנָּה HD 209458 b. האות b שבסוף הַשֵּׁם מציינת את העובדה שזו הייתה הפלנטה הראשונה שהתגלתה במערכת (אם פלנטות נוספות יתגלו מאוחר יותר סביב לאותו הכוכב יינתנו להן אותיות הסיומת d, c וכן הלאה). אף על פי שהגודל שלו דומה לזה של צדק, HD 209458 b שונה מאד מצדק. צדק מסתובב סביב השמש במרחק גדול פי 5 מהמרחק שבין כדור הארץ לשמש, בעוד ש-HD 209458b מסתובב סביב הכוכב שלו במרחק קטן פי 21 ממרחק הסיבוב של כדור הארץ. מאחר ש-HD 209458b קרוב כל כך לכוכב שלו, הוא חם באופן יוצא דופן – בסביבות 1,200° מעלות צלזיוס! כמו צדק, הפלנטה הזו היא “ענק גזים”, מה שאומר שאין לה מעטפת מוצקה. בלי מעטפת מוצקה ובטמפרטורות גבוהות כאלה HD 209458b אינו מהווה מקום טוב לחיפוש של חיים.

מציאת אלפֵי כוכבים

עכשיו אנו יודעים כיצד לגלוֹת פלנטה אחת – אנו מודדים את הבהירוּת של כוכבים בזהירוּת רבָּה במשך זמן מה, ואם הבהירות יורדת במשך כמה שעות במהלך אירוע מַעֲבָר, ייתכן שגילינו פלנטה! אולם מאז שנת 2000 התגלו אלפי פלנטות. כיצד אסטרונומים מצאו כל כך הרבה פלנטות?

מרבית הפלנטות שהתגלו עד כה נמצאו על-ידי טלסקופ החלל קֶפְּלֶר, אשר צפה ב-150,000 כוכבים במשך 4 שנים, וביצע בכל חצי שעה מדידות מדויקות של בהירות. יותר מ-2,000 כוכבים הראו אירועי מעבר במדידות הבהירוּת, וגילו את נוכחותו של “גַּן חיוֹת” שָׁלֵם של פלנטות שגודלן נע בין פלנטות קטנות כמו כוכב חַמָּה, עד פלנטות גדולות יותר מצֶדֶק, וכל מה שביניהן [2].

הפתעת כוכב הביניים

אחת ההפתעות הגדולות ביותר שטלסקופ החלל של קפלר גילה הייתה שהגודל השכיח ביותר של הפלנטות הוא בין הגודל של כדור הארץ לגודל של נפטון. כדור הארץ הוא הפלנטה הסלעית הגדולה ביותר במערכת השמש, ונפטון הוא פלנטת הגז הקטנה ביותר במערכת השמש. אין במערכת השמש שלנו פלנטות שגודלן בין גודל כדור הארץ לבין גודלו של נפטון, ולמרות זאת מרבִּית הפלנטות שנמצאו על-ידי טלסקופ קפלר נופלות בטווח הגדלים הזה. אסטרונומים עובדים קשה בימים אלה כדי להבין את אופי העולמות האלה בעלי גודל הביניים [3]. האם הם פלנטות גז כמו מִינִי-נפטונים, או אולי הם פלנטות גדולות וסלעיות כמו סוּפֶּר-כדורי ארץ?

לא חם מִדַּי ולא קר מִדַּי – בדיוק בטמפרטורה הנכונה!

אתם עשויים לתהות: “האם אנו יכולים לִחְיוֹת על אחת מהפלנטות האלה?” אסטרונומים מנסים לענות על השאלה הזו. ביֶתֶר פירוט, הם רוצים לדעת האם כל פלנטה יכולה להכיל מים נוזליים על המעטפת שלה. בכל מקום בכדור הארץ שבּו אפשר למצוא מים נוזליים אפשר גם למצוא חיים, כך שאנו מתחילים את חיפוּשֵׂי החיים שלנו בין האקזופלנטות על-ידי חיפוש פלנטות שיכולות להכיל מים נוזליים על פני השטח שלהן. חלק מהפלנטות, כמו HD 209458 b, חמות מִדַּי כדי להכיל מים נוזליים, בעוד שפלנטות אחרות קרות מִדַּי. אנו מחפשים פלנטות שיושבות בתוך מה שמכֻנֶּה “Goldilocks zone”, ממש באמצע הַסְּקָלָה, אזור שאותו אנו מכנים “אזור ישיב.”

שני כוכבי לכת שחגים באזור הישיב סביב לכוכב המארח שלהם הם e 62-Kepler ו-f 62-Kepler. [4, 5] הפלנטות האלה חגות סביב כוכב שהוא פחות מאסיבי ב-30% מהשמש שלנו, והוא ממוקם במרחק של 1,200 שנות אור הַרְחֵק מאיתנו. שתי הפלנטות מעט גדולות יותר מכדור הארץ. אסטרונומים מקווים להשתמש בטלסקופ החלל James Webb שישוגר בקרוב כדי למדוד את המסוֹת של העולמות האלה, שדומים לכדור הארץ בגודלם, כדי להבין אם הם סלעיים או גזיים, ולכן אם יש או אין להם פני שטח קשיחים (ואולי גם מים), ואם הם יכולים לְאַכְלֵס צורות חיים כמו אלה שאנו מכירים.

ציידי פלנטות חדשים

ישנן מִגוון משימות מלהיבות שמתוכננות על-ידי (NASA סוֹכנוּת החלל של ארצות הברית) ו-ESA (סוכנות החלל האירופית) אשר יגלו ויחקרו אקזופלנטות שמקושרות לאירועי מַעֲבָר, כולל משימות שמכֻנּוֹת PLATO, TESS ו-CHEOPS. ככל שנגלה יותר ויותר פלנטות כך נצטרך עוד אסטרונומים כמוכם שיסייעו לנו להבין אלה פלנטות הן מבטיחות יותר עבור אירוח חיים עליהן.

מילון מונחים

שנת אור (Light year): המרחק שאותו עובר האור במשך שנה אחת.

מַעֲבָר (Transit): כאשר פלנטה חוסמת את אורו של כוכב.

טלסקופ החלל קֶפְּלֶר (Kepler space telescope): טלסקופ חלל שחג סביב לשמש, אשר מחפש אקזופלנטות באמצעות שיטת אירועי המעבר.

אזור ישיב (Habitable zone): אזור מסביב לכוכב, על פני המעטפת של פלנטה סלעית, שבּו לא חם מדי ולא קר מדי ומים יכולים להיות נוזליים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מקורות

[1] Charbonneau, D., Brown, T. M., Latham, D. W., and Mayor, M. 2000. Detection of planetary transits across a sun-like star. Astrophys. J. 529:L45. doi:10.1086/312457

[2] Akeson, R. L., Chen, X., Ciardi, D., Good, J., Harbut, M., Jackson, E., et al. 2013. The NASA exoplanet archive: data and tools for exoplanet research. Publ. Astron. Soc. Pac. 125:989. doi:10.1086/672273

[3] Rogers, L. A. 2015. Most 1.6 earth-radius planets are not rocky. Astrophys. J. 801:41. doi:10.1088/0004-637X/801/1/41

[4] Borucki, W. J., Agol, E., Fressin, F., Kaltenegger, L., Rowe, J., Isaacson, H., et al. 2013. Kepler-62: a five-planet system with planets of 1.4 and 1.6 earth radii in the habitable zone. Science 340:587–90. doi:10.1126/science.1234702

[5] Shields, A. L., Barnes, R., Agol, E., Charnay, B., Bitz, C., and Meadows, V. S. 2016. The effect of orbital configuration on the possible climates and habitability of Kepler-62f. Astrobiology 16:443–64. doi:10.1089/ast.2015.1353