Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 28 בינואר, 2021

TRAPPIST-1: כוכב כהה עם עתיד בהיר

תַקצִיר

מתוך אלפי הכוכבים שידועים כ“מארחים” של כוכבי לכת חוץ-שמשיים (אקזופלנטות, שהם כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש שלנו), כוכב מרתק במיוחד בולט מהשאר. הוא ידוע בשם TRAPPIST-1: כוכב קטנטן בגודלו של כוכב צדק, שמהווה בית לא לאחד, לא לשניים אלא לשבעה כוכבי לכת בגודל של כדור הארץ! כוכבי הלכת האלה הם ככל הנראה עולמות סלעיים, כמו כדור הארץ, וחלקם עשויים להכיל טמפרטורת פני שטח מתאימה עבור קיומם של מים נוזליים, אולם זה תלוי אם לכוכבי הלכת האלה יש אטמוספרות או לא, וממה האטמוספרות האלה עשויות. אסטרונומים עובדים כיום במטרה להבין אם ל- TRAPPIST-1 יש או אין נקודות בהירות על גביו, מה שעשוי להשפיע על האופן שבו אנו רואים כוכבי לכת.

גילוי כוכבי לכת רחוקים

למרבית הכוכבים יש כוכבי לכת שחגים סביבם. הכוכבים האלה נקראים “כוכבים מארחים”. כוכבי לכת חוץ-שמשיים (אקזופלנטות) הן כוכבי הלכת שחגים סביב כוכבים אחרים, מחוץ למערכת השמש שלנו. אם אנו מתבוננים במערכת של אקזופלנטה מהזווית הנכונה, האקזופלנטות יגרמו לליקוי של הכוכב המארח שלהן בזמן שהן יזוזו סביב לכוכב במסלולים שלהן. אם אנו מודדים מאוד במדיוק את הבהירוּת של כוכב כשהוא גורם לליקוי של כוכב אחר, אנו יכולים להבחין באירוע מַעֲבַר (transit), שמתואר בפירוט במאמר פרונטירז הזה. במהלך מעבר, כוכב לכת חוסם חלק מהאור, ואסטרונומים על כדור הארץ רואים נפילה בכמות אור הכוכב הכללית, מה שבדרך כלל נמשך כמה שעות (איור 1).

איור 1 - פירוש אומנותי של איך נראית מערכת TRAPPIST-1.
  • איור 1 - פירוש אומנותי של איך נראית מערכת TRAPPIST-1.
  • שבעה כוכבי לכת חגים סביב הכוכב הזה. העיגולים הכהים על הכוכב הם צללים של כוכבי לכת שעוברים מלפני הכוכב. קרדיט לתמונה: NASA/JPL-Caltech.

TRAPPIST-1 הוא כוכב אדום קטן מאוד שממוקם 40 שנות אור מאיתנו, בקבוצת הכוכבים אקווריוס (Aquarius). למעשה, TRAPPIST-1 הוא הכוכב הכי קטן שיכול להיות – אם הוא היה מעט קטן יותר, הוא לא היה נחשב כוכב מאחר שהוא לא היה מספיק גדול להפיק את האור של עצמו באמצעות היתוך של מימן להליום בליבה שלו. TRAPPIST-1 בערך בגודל של צדק, אולם הוא שוקל פי 80 מצדק. הוא זורח עם הפצת אור שמהווה רק כ-0.05% מזו של השמש [1]. מרבית הכוכבים בגלקסיה הם כוכבים קטנים כמו TRAPPIST-1, ומאחר שהם כל כך קטנים ועמומים, מאתגר לחקור אותם.

שבע פלנטות קטנות

האתגרים האלה לא עצרו קבוצת אסטרונומים היושבת בבלגיה מלנסות למצוא כוכבי לכת שחגים סביב ל-TRAPPIST-1, ואיזה גן חיות של כוכבי לכת הם מצאו! ישנן שבע אקזופלנטות ידועות שחגות סביב הכוכב הזעיר הזה, כל אחת מהן עוברת מלפני הכוכב כשצופים בה מכדור הארץ, מה שגורם לאירועי מעבר. אנו יכולים להבין מה הגודל של כל כוכב לכת באמצעות מדידת כמות האור שנעלם כשכוכב הלכת עובר מלפני הכוכב. כוכבי לכת קטנים חוסמים רק חלק קטן מהאור, בעוד שכוכבים גדולים חוסמים יותר אור. מדידות הבהירוּת של TRAPPIST-1 העלו שהגדלים של כוכבי הלכת האלה דומים לכדור הארץ– כוכב הלכת הקטן ביותר היה בגודל של שלושה רבעים מכדור הארץ, וכוכב הלכת הגדול ביותר היה גדול בכ-13% מכדור הארץ (ראו איור 2) [1].

איור 2 - פירוש אומנותי של כוכבי הלכת של TRAPPIST-1, שנקראים b-h, וה-host star שלהם, כאשר הגדלים שלהם מוצגים על גבי סקאלה (אף על פי שהמרחקים לא בקנה מידה).
  • איור 2 - פירוש אומנותי של כוכבי הלכת של TRAPPIST-1, שנקראים b-h, וה-host star שלהם, כאשר הגדלים שלהם מוצגים על גבי סקאלה (אף על פי שהמרחקים לא בקנה מידה).
  • קרדיט לתמונה: NASA/JPL-Caltech.

כוכבי הלכת של TRAPPIST-1 חגים סביב הכוכב המארח שלהם הרבה יותר קרוב משכוכבי הלכת במערכת השמש שלנו חגים סביב השמש. כוכב הלכת הקרוב ביותר, שנקרא TRAPPIST-1 b, משלים סיבוב אחד סביב לכוכב שלו אחת לכל 1.5 ימים. השוו את זה עם כדור הארץ, שלוקח לו שנה להשלים הקפה אחת סביב השמש. כוכב הלכת המרוחק ביותר, TRAPPIST-1 h, משלים הקפה כל 18 ימים. אם הייתם צריכים לשים את כל כוכבי TRAPPIST-1 במערכת השמש, ההקפות שלהם ייכנסו כולן בתוך ההקפה של כוכב חמה, כוכב הלכת הפנימי ביותר במערכת השמש.

האם מים נוזליים (ואולי חיים) יכולים להתקיים על אחד מכוכבי הלכת?

אתם עשויים לתהות אם כוכבי הלכת האלה קרובים מדי לכוכב בשביל שבני אדם יוכלו לבקר אותם בלי להימס. מסתבר שמאחר שהכוכב TRAPPIST-1 הוא כל כך מעומעם, הכוכבים צריכים להיות קרובים מאוד אליו כדי להישאר חמים. כוכבים עובדים ממש כמו מדורה – ככל שכוכב הלכת קרוב יותר לכוכב, כך הוא ככל הנראה יהיה חם יותר. אולם המרחק מהכוכב הוא לא הגורם היחיד שקובע כמה חם יהיה כוכב הלכת.

האטמוספרה של כוכב לכת היא גם חשובה, מאחר שחלק מהאטמוספרות שומרות על כוכבי הלכת שלהן חמים במיוחד וקלים. כוכב חמה ונוגה הם דוגמאות טובות לאפקט התחממות של האטמוספרות. כוכב חמה קרוב פי שתיים לשמש מאשר נוגה, כך שאתם עשויים לנחש שכוכב חמה יהיה הכוכב החם ביותר במערכת השמש שלנו. אולם הטמפרטורה בפני השטח העליונים ביותר של כוכב חמה היא בערך 430 מעלות צלזיוס, בעוד שהטמפרטורה של פני השטח של נוגה אפילו חמה יותר, בסביבות 460 מעלות צלזיוס. הסיבה לכך שכוכב נוגה חם יותר מכוכב חמה היא שהאטמוספירה שלו מורכבת בעיקר מפחמן דו-חמצני, אשר כולא חום באטמוספרה של נוגה, תופעה שנקראת אפקט החממה. לכוכב חמה אין אטמוספרה, ולכן אין בו אפקט חממה והטמפרטורה לא עולה גבוה כמו בנוגה.

טמפרטורת פני השטח של כל אחד מכוכבי הלכת של TRAPPIST-1 תלויה באם יש או אין להם אטמוספרות, וממה האטמוספרות האלה מורכבות. כיום, איננו יודעים בוודאות אם לאלה מכוכבי TRAPPIST-1 יש אטמוספרות, וישנו מגוון רחב של אטמוספרות אפשריות שיכולות להתקיים על כל אחד מכוכבי הלכת, שלכל אחת מהן יכולה להיות השפעה משמעותית על כמה חם כוכב הלכת יכול להיות.

כתוצאה מהשאלות הבלתי פתורות האלה על אטמוספרות, איננו יודעים עדיין את טמפרטורות פני השטח של כל אחד מכוכבי TRAPPIST-1. איננו יודעים גם בוודאות אם בכל אחד מהם יכולים להיות מים נוזליים על פני השטח או לא! אולם אנו מתכוונים לגלות!

דרך אחת שבּה אנו יכולים לגלות זאת היא באמצעות צפייה בכל כוכב לכת שעובר לפני הכוכב – כוכבי לכת עם אטמוספרות חוסמים יותר צבעים מסוימים של אור מכוכבי לכת ללא אטמוספרות, והצבעים שנחסמים תלויים בכימיקלים שנמצאים באטמוספרה של כוכב הלכת. באמצעות מדידת הצבע של הכוכב בזהירות רבה כשכוכבים עוברים מלפניו, אנו עשויים להיות מסוגלים לקבוע אם לכוכבי הלכת יש אטמוספרות, וממה האטמוספרות האלה מורכבות.

הנקודות המסתוריות על פני השטח של TRAPPIST-1

אולם, ישנו אתגר גדול שגורם לקושי בחקירת האטמוספרות של כוכבי הלכת של TRAPPSIT-1 – איננו יודעים כיצד נראים פני השטח של הכוכב. הכוכב יכול להכיל כתמים קטנים או גדולים על פני השטח שלו, שנקראים ’כתמי כוכבים’ (starspots), אשר משפיעים על הבהירות ועל צבע המדידות שאנו מבצעים על הכוכב [2]. מאחר שאנו סומכים על הבהירות וצבע המדידות כדי ללמוד על האטמוספרות של כוכבי הלכת, ובהתאם אם יכולים להיות בכוכבי הלכת מים נוזליים או לא, עלינו לדעת בדיוק כיצד הכתמים על TRAPPIST-1 משפיעים על הצבע של הכוכב ועל בהירותו.

מאמץ אחד לחקור את הכתמים של TRAPPIST-1 באמצעות טלסקופי החלל Kepler ו-Spitzer של נאס"א מלמד כי ייתכן שלכוכב בכלל אין כתמים כמו שיש לשמש, אולם ייתכן שיש לו נקודות חמות בהירות על פני השטח שלו [3]. הנקודות הבהירות האלה גורמות לכוכב להיראות מעט יותר כחול ובהיר כאשר הנקודות הבהירות פונות אלינו, וקצת יותר אדום ועמום כשהנקודות הבהירות יוצאות מחוץ לטווח הראייה שלנו כשהכוכב מסתובב. הֲבָנַת מספרן של הנקודות האלה, הטמפרטורה שלהן ובהירותן חשובה להבנת החותם שכוכבי הלכת משאירים על אור הכוכב שמגיע מ-TRAPPIST-1. לאחרונה, שתי קבוצות מדענים אחרות שחוקרות את צבעו של TRAPPIST-1 גם הגיעו למסקנה שעשויות להיות נקודות בהירות (חמות) על פני השטח שלו [4, 5]. במקביל להיאספות הראיות של הנקודות המוזרות האלה, גדלה גם המסתוריות סביבן מאחר שלשמש – הכוכב היחיד שיכול להיחקר מקרוב – אין נקודות בהירות חמות דומות על פני השטח שלה.

מבט חדש על השמיים

אסטרונומים ככל הנראה יצליחו לענות על השאלות שלהם לגבי הנקודות שעל TRAPPIST-1 כשישוגר טלסקופ חלל חדש, שנקרא James Webb Space Telescope (JWST). ה-JWST יהיה טלסקופ החלל הגדול ביותר שנבנה אי פעם, והוא מיועד לצפות בכוכבי הלכת של TRAPPIST-1 בתחילת משימתו בת חמש השנים. בשילוב עם תצפיות שנלקחו על-ידי טלסקופים על כדור הארץ, אסטרונומים ישתמשו בתצפיות מ-JWST כדי להבין סופסוף כיצד נראים פני השטח של TRAPPIST-1 ואז, בתקווה, אם האטמוספרות של כוכבי הלכת של TRAPPIST-1 יכולות לאפשר את קיומן של צורות חיים שאנו מכירים, אם לאו.

מילון מונחים

כוכב מארח (Host star): כוכב שמקיפה אותו אקזופלנטה (כוכב לכת חוץ-שמשי).

אקזופלנטה (Exoplanet): כוכב לכת שמקיף כוכב שאינו השמש.

מעברכ (Transit): כאשר אקזופלנטה חוסמת אור מה-host star שלה.

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

היתוך (Fusion): תגובה גרעינית שמתרחשת בליבה של כוכבים, וגורמת להם לזרוח.

הפצת אור (Luminosity): הבהירות הכולל של אובייקט אסטרונומי.

אטמוספרה (Atmosphere): שכבת גז שמקיפה כוכב לכת (כמו האוויר של כדור הארץ).

אפקט החממה (Greenhouse effect): כאשר האטמוספרה של כוכב לכת מורכבת מגז שלוכד חום, ומגדילה את טמפרטורת פני השטח של כוכב הלכת.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מקורות

[1] Gillon, M., Triaud, A. H. M. J., Demory, B.-O., Jehin, E., Agol, E., Deck, K. M., et al. 2017. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature. 542:456–60. doi: 10.1038/nature21360

[2] Rackham, B. V., Apai, D., and Giampapa, M. S. 2018. The transit light source effect: false spectral features and incorrect densities for M-dwarf transiting planets. Astrophys. J. 853:122. doi: 10.3847/1538-4357/aaa08c

[3] Morris, B. M., Agol, E., Davenport, J. R. A., and Hawley, S. L. 2018. Possible bright starspots on TRAPPIST-1. Astrophys. J. 857:39. doi: 10.3847/1538-4357/aab6a5

[4] Ducrot, E., Sestovic, M., Morris, B. M., Gillon, M., Triaud, A. H. M. J., De Wit, J., et al. 2018. The 0.8–4.5 broadband transmission spectra of TRAPPIST-1 planets.Astron. J. 156:218. doi: 10.3847/1538-3881/aade94

[5] Wakeford, H. R., Lewis, N. K., Fowler, J., Bruno, G., Wilson, T. J., Moran, S. E., et al. 2019. Disentangling the planet from the star in late-type M dwarfs: a case study of TRAPPIST-1g. Astron. J. 157:11. doi: 10.3847/1538-3881/aaf04d