כוכבי הלכת נפטון ואורנוס דומים מאוד זה לזה – אז למה הצבעים שלהם שונים?

אורנוס (אורון) ונפטון (רהב), כוכבי הלכת השביעי והשמיני במרחקם מהשמש שלנו, חולקים יחד הרבה תכונות משותפות. ראשית, המסה והגודל שלהם די דומים, ולשניהם יש ירחים וטבעות. שניהם גם ענקי קרח – כוכבי לכת גדולים בעלי ליבה סלעית, מעטפת המורכבת מחומרים נדיפים כמו מים, אמוניה ומתאן, המכונים קרח, ושכבת אטמוספרה דקה המורכבת בעיקר ממימן ומהליום. אך למרות הדמיון הרב ביניהם, הצבע שלהם שונה. לאורנוס גוון כחלחל-ירקרק חיוור, ואילו נפטון מתהדר בגוון כחול עמוק.

לפני שננסה להבין מה ההבדל ביניהם, נענה על שאלה מקדימה: מדוע צבעיהם של אורנוס ונפטון נוטים לכחול, בשעה שכוכבי לכת אחרים, כמו צדק ושבתאי, הם דווקא צהבהבים?

כשאור לבן מהשמש פוגע בעצם כלשהו, חלק ממנו נבלע בחומר וחלק אחר מוחזר. עצם בצבע מסוים – למשל כחול – נראה כך משום שהוא בולע את האור בכל הצבעים האחרים ומחזיר רק את החלק הכחול של האור. באטמוספרה של אורנוס ושל נפטון יש יחסית הרבה גז מתאן. מכיוון שמתאן בולע אור בגוני אדום ומחזיר בעיקר את האור הכחול והירוק, הוא נראה כחלחל. בנוסף, בדומה לסיבה שבגללה שמי כדור הארץ כחולים, גם באורנוס ובנפטון החלקיקים המרכיבים את האטמוספרות שלהם מפזרים אור כחול ביעילות רבה יותר מאשר גוונים הקרובים יותר לצבע האדום, כך שיותר קרני אור כחולות מגיעות אלינו מהם.

האטמוספרה של אורנוס ושל נפטון מכילה הרבה גז מתאן, שבולע אור בגוני אדום ומחזיר בעיקר אור כחול וירוק |  petrroudny43, Shhutterstock
האטמוספרה של אורנוס ושל נפטון מכילה הרבה גז מתאן, שבולע אור בגוני אדום ומחזיר בעיקר אור כחול וירוק | petrroudny43, Shhutterstock

צבעו של האובך

למה בכל זאת יש לאורנוס גוון כחלחל חיוור וירקרק יותר מנפטון? מחקר חדש, בהובלתו של הפיזיקאי פטריק אירווין (Irwin) מאוניברסיטת אוקספורד בבריטניה, מצביע על כך שהסיבה לזה היא העובי של שכבת האובך של אורנוס, שהיא שכבה שמורכבת מחלקיקים מוצקים זעירים הפזורים באטמוספרה. חלקיקים אלה נוצרים בתגובה פוטו-כימית כאשר קרינה על-סגולה מהשמש פוגעת בתרכובות אורגניות שנמצאות באטמוספרה של כוכב הלכת, ומפרקת אותן. החלקיקים שמרכיבים את שכבת האובך באורנוס בולעים אור על-סגול ומחזירים את צבעי האור הנראה במידה פחות או יותר שווה. כלומר האובך נראה די לבן, בדומה לצבע השמיים בכדור הארץ בימים אביכים. כך האובך משווה לאורנוס מראה פחות כחול מנפטון, ששכבת האובך שלו דקה יותר.

במחקר, שלא עמד עדיין בבחינה ביקורתית של מומחים בתחום (ביקורת עמיתים), יצרו אירווין ועמיתיו מודל הדמיה של כוכב לכת שהתאים לנתוני התצפיות הקיימות מאורנוס ומנפטון. מחקרים קודמים שהשוו בין כוכבי הלכת בחנו בכל פעם קטעי נתונים נפרדים, דבר שהקשה להתאים בין מודל אחד למשנהו ולגבש מהם תמונה שלמה. הפעם ביקשו החוקרים למצוא מודל תיאורטי משותף אחד שיסביר בו זמנית את מה שאנו יודעים על האטמוספרות של שני כוכבי הלכת.

לפי המחקר, כשקרינה על-סגולה מהשמש פוגעת בשכבה העליונה של האטמוספרה של כוכב הלכת, החלקיקים שמהם האטמוספרה מורכבת מתפרקים לחלקיקים קטנים יותר וכך נוצר אובך. בהמשך, חלקיקי האובך מתערבבים עם השכבות הנמוכות של האטמוספרה, וגז מתאן מתעבה עליהם. המתאן המעובה צונח למטה כמעט מייד כמו שלג, ולוקח איתו את חלקיקי האובך לשכבות העמוקות של האטמוספרה. כך חלק משמעותי מהאובך מתפנה.

כאמור, ההבדל המהותי בין אורנוס לנפטון לפי המודל הזה הוא עובי שכבת האובך. מכיוון שבאורנוס השכבה הזאת, שנראית לבנה בתחום האור הנראה, עבה יותר, היא מעניקה לו גוון חיוור יותר מנפטון. בהנחה שזה אכן ההסבר להבדל בצבעים של שני כוכבי הלכת, נותרת בעינה השאלה מדוע לאורנוס יש שכבת אובך עבה יותר. ייתכן שההסבר שהציעו החוקרים הוא נכון, והאטמוספרה של נפטון יעילה יותר בפינוי חלקיקי האובך בזכות "שלג" המתאן שנוצר בה.

ההבדל בעובי שכבת האובך גם יכול להסביר מדוע רואים יותר כתמים על פני נפטון. הכתמים האלה הם שטחים כהים יחסית שנוצרים כנראה עקב סופות באטמוספרה, בדומה לכתם האדום הגדול בכוכב הלכת צדק. לטענת החוקרים, הכתמים נוצרים בשכבה נמוכה של האטמוספרה, כך שבאורנוס האובך שמעליה מטשטש את הכתמים ומסתיר אותם. מכיוון ששכבת האובך של נפטון דקה יותר, קל יותר לראות את הכתמים שנוצרים מתחתיה.

המשימה שהחוקרים לקחו על עצמם במחקר הנוכחי – למצוא מודל תיאורטי שיסביר בעת ובעונה אחת את כל המידע התצפיתי הקיים על אורנוס ונפטון – היא אתגר מסובך למדי. כפי שהחוקרים עצמם מעידים, מכיוון שהמודל מושפע מהרבה משתנים נעלמים, שאיננו יכולים לנחש את ערכם ישירות מהתצפיות, קיימים כמה פתרונות אפשריים שמתאימים למודל ויכולים להסביר את התצפיות. למשל אם יתקבלו נתונים חדשים ומדויקים יותר על כמות האור הנבלע בגז המתאן בכל צבע, תוצאות המודל עשויות להשתנות מעט.

בנוסף, החוקרים מקווים שתצפיות עתידיות באמצעות מכשירי תצפית ברמת הפרדה (רזולוציה) גבוהה יאפשרו לבחון במדויק את הכתמים באטמוספרות של שני כוכבי הלכת ולהסביר איך הם נוצרו. לפעמים גם שאלה שנראית פשוטה יחסית, טומנת בחובה תעלומה פיזיקלית כבדת משקל, אפילו ממש כאן, בחצר האחורית של מערכת השמש שלנו.