כוכב לכת שהוא מעבדה אטמוספרית

החיים על כוכב הלכת ארץ התאפשרו בזכות צירוף של גורמים רבים, בהם הרכב סלעי, מרחק מתאים מהשמש, שדה מגנטי גלובלי, וכמובן קיומה של אטמוספרה. בלי אטמוספרה לא היו מים נוזלים על פני כדור הארץ, ולא היו חיים כפי שאנו מכירים אותם. השאלה אם יש אטמוספרה גם בכוכבי לכת במערכות שמש אחרות, או אֶקְסוֹפְּלָנֶטוֹת, מעסיקה את החוקרים מאז הגילוי הראשון של כוכב לכת מחוץ למערכת השמש שלנו ב-1995. החוקרים מנסים לענות על שאלות יסוד, בהן לאילו כוכבי לכת יכולה להיות אטמוספרה, ובאילו תנאים היא תמשיך להתקיים בלי להתפוגג לחלל.

מציאת התשובה לשאלות כאלה מסובכת ובעייתית מאוד, במיוחד בכל הנוגע לכוכבי לכת קטנים יחסית וסלעיים, כלומר דומים לכדור הארץ. זאת משום שעד עכשיו התגלו מעט מאוד כוכבי לכת כאלה, רובם במערכות שקשה מאוד לחקור מסיבות שונות: חלקן רחוקות מאוד ובאחרות השמש שלהן בוהקת מאוד. כעת גילה צוות מחקר בינלאומי כוכב לכת דמוי-ארץ שעשוי להיות המעבדה האופטימלית לחקר אטמוספרות כאלה: הוא גדול רק במעט מכדור הארץ, מקיף שמש מסוג ננס אדום, ורחוק רק כ-26 שנות אור מאיתנו.

יכול להיות מעבדה אופטימלית kאטמוספרות של אקסופלנטות. מבט משוער על הפלנטה שהתגלתה וד"ר אבי שפורר | איור: RenderArea, צילום: MIT

שילוב כוחות

גליזה 486 הוא ננס אדום, כוכב קטן וקריר יחסית, שמסתו וקוטרו בערך שליש מהשמש שלנו, ובהירותו קטנה כמעט פי מאה משלה. בשנים האחרונות רבים מהמאמצים לחיפוש כוכבי לכת דמויי ארץ מתמקדים בכוכבים כאלה, משום שגודלם מאפשר לזהות ביתר קלות גם פלנטות קטנות יחסית החגות סביבם. כך התגלו לפני שנתיים שני כוכבי לכת כאלה סביב הננס האדום טִיגַרְדֶן.

אחד הכלים המשמעותיים בחיפוש אקסופלנטות הוא טלסקופ החלל האמריקאי TESS (ראשי תיבות של Transiting Exoplanet Survey Satellite), ששוגר לפני כשלוש שנים לסרוק את השמיים ולאתר כוכבי לכת בשיטת הליקויים (transit) – כלומר זיהוי של כוכבים שיש ירידה מחזורית קטנה בעוצמת האור שלהם, שעשויה להעיד על מעבר של כוכב לכת לפניהם. כשהנתונים של TESS מצביעים על פוטנציאל לכוכב לכת כזה, נעשות בדרך כלל מדידות במכשירים נוספים.

אחד המכשירים האלו הוא CARMENES (ראשי תיבות מאולצים-משהו של: Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs). המותקן במצפה כוכבים בדרום-מזרח ספרד, ומאפשר למדוד בדיוק רב את המהירות הרדיאלית (כלומר, לאורך קו הראייה) של כוכבים. כאשר כוכב לכת חג סביב השמש שלו, הוא מושך אותה מעט אליו. אנחנו לא יכולים לראות ישירות את כוכבי הלכת, משום שהם קטנים מדי ואור הכוכב שלהם מסתיר אותם, אבל אם צופים מזווית מתאימה, הכוכב ייראה לנו כאילו הוא מתרחק מאיתנו ומתקרב אלינו לסירוגין. CARMENES הוא ספקטרוסקופ, המסוגל למדוד את השינויים הקטנים באור הכוכב בעקבות התנודות האלה, גם באור נראה וגם בקרינה תת-אדומה, שהיא הקרינה העיקרית שפולטים ננסים אדומים. כך השימוש בו מגדיל את הסיכוי לאתר סימנים לכוכבי לכת במיוחד סביב ננסים אדומים.

אל המחקר הצטרף גם הצוות של ספקטרוסקופ נוסף, MAROON-X, מכשיר חדש שהחל לפעול ממש לאחרונה בטלסקופ ג'מיני הצפוני בהוואי, וגם הוא מיועד למדידת המהירות הרדיאלית של כוכבים.

"למעשה, הצוות של CARMENES כבר התחיל להתבונן על הנתונים של גליזה 486 עוד לפני שהצגנו להם את הנתונים של TESS", הסביר בראיון לאתר מכון דוידסון ד"ר אבי שְפּוֹרֶר, אסטרופיזיקאי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) וחבר בצוות המדעי של TESS. "שילוב הנתונים אישר את קיומו של כוכב לכת קצת יותר גדול מכדור הארץ, מה שמכונה "סופר-ארץ". המסה שלו פי 2.8 משל הארץ והרדיוס שלו פי 1.3. הוא מקיף את הננס האדום שלו כל 35 שעות. משיקלול נתוני המסה והצפיפות אנו מסיקים שמדובר בכוכב לכת סלעי, בעל ליבה מתכתית, בדומה לכדור הארץ ולנוגה, ומשערים שהוא נמצא בנעילה עם הכוכב, כלומר קצב הסיבוב העצמי שלו שווה לזמן ההקפה, כך שהוא מפנה כל הזמן צד אחד שלו לעבר הכוכב".

טמפרטורות לוהטות. כך דמיין אמן את פני השטח של כוכב הלכת שהתגלה | איור: RenderArea

פוקס חמים

כוכב הלכת, שעל פי הנוהג המקובל נקרא גליזה 486b, נמצא קרוב מאוד לשמש שלו. המרחק הממוצע ביניהם הוא 2.6 מיליון קילומטר, פחות משני אחוזים מהמרחק בין כדור הארץ לשמש שלנו. לכן, למרות שמדובר בשמש קטנה וקרה יחסית, ממרחק כזה היא עדיין חמה מאוד, והטמפרטורה על פני כוכב הלכת בצד הפונה לשמש היא כ-430 מעלות צלזיוס. דווקא הטמפרטורה הגבוהה הזו עשויה לספק תמונת מצב מעניינת בנוגע לאטמוספרה של כוכב הלכת. "השאלה אם יש לכוכב הלכת הזה אטמוספרה תלויה במאזן בין שני כוחות", אמר שפורר. "אנו יודעים שקרינה חזקה יכולה לאדות את האטמוספרה ולפזר אותה לחלל. מצד שני, לפלנטה עצמה יש כבידה, במקרה זה היא חזקה ב-70 אחוז בערך מזו של כדור הארץ, והשאלה הגדולה אם היא חזקה מספיק בשביל לשמור על האטמוספרה ולמנוע ממנה להתאדות".

"הגילוי הזה הוא ממש 'פוקס'. מאה מעלות יותר, פני השטח של הפלנטה היו לבה, והאטמוספרה הייתה עשויה מאדי סלעים. אם הוא היה קר במאה מעלות, הפלנטה לא הייתה מתאימה למחקרי המשך", אמר חוסה קַבַּיֶירוֹ (Caballero), אסטרוביולוג מספרד ואחד ממובילי המחקר. "אטמוספרה קרה יותר פולטת פחות קרינה, והיא גם לרוב דקה יותר, ולכן בולעת פחות קרינה, כך שקשה יותר לחקור אותה", מסביר שפורר. "היא בדיוק מה שחיפשנו כדי לבדוק מודלים של אטמוספרות בכוכבי לכת סלעיים". המחבר הראשון של מאמר המחקר, טריפון טריפונוב (Trifonov) ממכון מקס פלנק בגרמניה ציין: "הקירבה של המערכת הזו אלינו מרגשת מאוד, כי היא מאפשרת לחקור את הפלנטה הזו לעומק עם טלסקופ החלל ג'יימס ווב, המתוכנן לשיגור בקרוב, ועם הדור הבא של טלסקופים קרקעיים ענקיים".

רק 2.6 מיליון ק"מ מהכוכב. הדמיה של מעבר הפלנטה גליזה 486b לפני הכוכב, לצד נתוני הסתרת האור | איור: RenderArea

מדידות מורכבות

אז איך מבצעים את מדידות ההמשך ובודקים אם לגליזה 486b יש אטמוספרה, ואם כן - ממה היא עשויה? יש שתי שיטות לכך, מסביר שפורר. "באחת, מודדים את אורכי הגל בדיוק בשלב שהפלנטה עוברת בינינו לבין הכוכב. חלק זעיר מהאור של הכוכב נבלע באטמוספרה שלה, וניתוח של הרכב האור הזה, כלומר ספקטרום הבליעה, מאפשר לנו לזהות אילו חומרים יש סביב כוכב הלכת. בשיטה השנייה מבצעים את המדידות כשהפלנטה נמצאת מבחינתנו קרוב לשפת הכוכב, בדרך לעבור מאחוריו או מגיחה מהמעבר מאחוריו, וזה מאפשר לדעת את ספקטרום הפליטה – אילו אורכי גל של אור נפלטים מפני כוכב הלכת, ושוב, לפענח אילו חומרים יש על פניו וסביבו".

נשמע פשוט? "אלה מדידות מאוד מאוד מורכבות, הדורשות ספקטרומטרים חזקים ומדויקים מאוד, ועד כה נעשו מדידות כאלה רק על פלנטות גדולות יותר", ציין שפורר. "עם זאת, העובדה שמדובר בכוכב שהוא ננס אדום עוזרת לנו. אם זו הייתה שמש גדולה יותר הקרינה החזקה שלה לא הייתה מאפשרת לנו לבצע מדידות כאלה".

החוקרים מקווים שמעבר לקרקע הלוהטת עדיין נשארה אטמוספרה. הדמיית פניו של כוכב הלכת גליזה 486b | איור: RenderArea

החוקרים מקווים לגלות בקרוב כי לפלנטה שגילו אכן יש אטמוספרה, וללמוד ממנה רבות על התהליכים הנוגעים להיווצרות אטמוספרות במערכות כאלה. "אפשר להתייחס למערכת הזו ממש כאל מעבדה ללמוד על האטמוספרה של הפלנטה", אמר שפורר. "באילו תנאים היא נשמרת, מה התכונות שלה, איך היא מוליכה את החום סביב הפלנטה, ועוד".

לצד השאלות המסקרנות על כוכב הלכת הזה, החוקרים ממשיכים לחקור לעומק את נתוני המערכת כולה, בתקווה לגלות עוד כוכבי לכת סביב גליזה 486. "בינתיים אין סימנים לקיומן של עוד פלנטות במערכת הזו", ציין שפורר. "אבל אנו יודעים שיש הרבה מאוד מערכות רב-פלנטריות סביב כוכבים כאלה, אז אפשר לקוות שזו לא הפלנטה האחרונה שמתגלה סביב הכוכב הזה".

הממצא המסקרן מדרבן את החוקרים להמשיך לחפש עוד פלנטות דומות סביב כוכבים קרובים יחסית, שיפתחו שדות מחקר חדשים. "מתוך כמה אלפי פלנטות שאנו יודעים על קיומן, רובן גדולות מאוד ולא כל יום מגלים כוכבי לכת מסדר הגודל של כדור הארץ. כאלה שנמצאים מספיק קרוב קרוב אלינו, וסביב כוכב בעל בהירות מתאימה, אפשר לספור על שתי ידיים", מסכם שפורר. "גליזה 486b היא אחת הפלנטות החשובות ביותר שהתגלו באמצעות TESS, וזו בדיוק המשימה של טלסקופ החלל הזה: לחפש פלנטות סביב כוכבים כאלה, פלנטות שאפשר לחקור אותן לעומק לאחר עצם הגילוי שלהן".

הדמיית מסע בחלל לכוכב הלכת גליזה 486b - סרטון של RenderArea: