המקומות שמתאימים לחיים

עבורנו, בני כדור הארץ, אין כמו הבית. כלומר: אין שום מקום אחר במערכת השמש שבו יהיה יותר טוב לבני אדם מאשר בכדור הארץ. קל לראות זאת: עלייה קלה באחוז הפחמן הדו-חמצני באוויר, למשל מאחורי אוטובוס מזהם – ואנו מרגישים מחנק. ירידה קלה באחוז החמצן, למשל על הר גבוה) – ואנו עלולים להתעלף. השמש פולטת קרינה אלקטרומגנטית בכל אורכי הגל כמעט, אבל עינינו מכוונות במדויק לשיא הפליטה, שלה כדי שיהיה לנו קל לראות. מחזורי חיינו, וחיי החיות האחרות, קשורים ישירות למחזורים הטבעיים בכדור הארץ: היממה, החודש והשנה. לכן אין ספק שהיצורים שהתפתחו על כדור הארץ מותאמים לכדור הארץ, לתכונותיו וליתרונותיו. 

האם יש מקומות אחרים ביקום שאפשר למצוא בהם תנאים מתאימים עוד יותר ליצורים הגדלים שם? כוכבי לכת שלא רק מתאימים לקיום חיים כמו כדור הארץ, אלא טובים אפילו יותר? ההיסטוריה של האסטרונומיה מלמדת אותנו שהתשובה היא "כן": למדנו, בדרך הקשה והארוכה, שכדור הארץ אינו מיוחד באיזו שהיא צורה: הוא אינו במרכז מערכת השמש, או במרכז הגלקסיה, והגלקסיה שלנו, שביל החלב, היא רק אחת ממיליארדי גלקסיות דומות ביקום. אז למה שדווקא כדור הארץ יהיה "כוכב הלכת המושלם"? אין שום סיבה לחשוב כך.

מותאם מאוד לקיום החיים שלנו, אבל האם זה הבית המושלם? כדור הארץ במבט מהחלל | מקור: DETLEV VAN RAVENSWAAY / SCIENCE PHOTO LIBRARY

תנאים טובים למתאימים

כוכבי לכת כאלה, שיותר מתאימים-לחיים אפילו מכדור הארץ, מכונים "סוּפֶּר-ישיבים" (Super habitable). החוקרים דירְק שולץ-מאקוּש (Schulze-Makuch), רֶנֶה הֶלֶר (Heller) ואדוארד גווינאן (Guinan) בדקו אם יש כוכבי לכת כאלה מבין מעל 4000 כוכבי הלכת שהתגלו עד כה במערכות שמש אחרות, וכוכבי הלכת המועמדים, כלומר אלה שהגילוי שלהם טרם אושר סופית. יש עוד כמה "כוכבי לכת" שחשוב להכיר בהקשר זה: כדור הארץ של תקופות שונות בעברו הגיאולוגי היה שונה למדי מכדור הארץ היום, כאילו היה כוכב לכת אחרת לגמרי. היו תקופות בעברו שבהן כדור הארץ עצמו התאים פחות לחיים מאשר היום, למשל בעידני הקרח, והיו תקופות שבהן הוא היה מתאים אפילו יותר מאשר היום. שוב, אין שום סיבה לחשוב שאנחנו נמצאים בתקופה מיוחדת שהיא "הכי" באיזושהי צורה, מלבד אלו הקשורות בבני אדם, כמובן.

כדי לזהות את אותם כוכבי לכת סופר-ישיבים היה צריך לשאול את השאלה: מה גורם לכוכב לכת להיות "מתאים לחיים"? ובפרט - לחיים תבוניים? לשם כך אפשר להתחיל בדוגמה היחידה המוכרת לנו של חיים: אלו שבכדור הארץ. בכדור שלנו יש חיים כמעט בכל מקום - מהקטבים הקפואים ועד המדבריות הלוהטים, אך גם כמות היצורים החיים, ה"ביומסה", וגם מגוון היצורים החיים (biodiversity) אינם מפוזרים על פניו באופן אחיד: ביערות הטרופיים שבהם חם ולח, גם הכמות וגם המגוון של היצורים החיים גבוהים מאוד. החוקרים ניסו להמשיך את קו המחשבה הזה, ולאפיין את התנאים האופטימליים לחיים. הם הגיעו לכמה וכמה מסקנות שאפשר להשתמש בהן כבר עתה כדי לנסות לזהות כוכבי לכת סופר-ישיבים:

• תכונות השמש: כוכב הלכת צריך לחוג סביב כוכב שמפיק אנרגיה יציבה במשך זמן רב. בכדור הארץ עברו כ-3.5 מיליארד שנים עד שהופיעו בו חיים מורכבים, רב תאיים, ובערך 4.5 מיליארד עד להופעת בני האדם התבוניים. לכן כוכבים שאורך חייהם קצר, לא יתאימו, מכיוון שלפי סקאלת הזמן הזו חיים תבוניים לא יספיקו להתפתח בכוכבי הלכת שלהם. כוכבים כאלה הם ננסים מסוג O, B, A ו- F, בעלי מסה גדולה בהרבה מהשמש שלנו. מצד שני, כוכבי לכת באזור הישיב של כוכבים הקלים משמעותית מן השמש, כמו ננסים מסוג M, יהיו קרובות מאוד אל השמש שלהם, ולכן יחוו נעילת גאות כמו הירח, שמפנה לכדור הארץ רק צד אחד. נעילה כזו משמעותה רגישות להתפרצויות האנרגטיות המאפיינות כוכבים מסוג זה, וכן איבוד עונות השנה, מה שמן הסתם ישפיע בצורה כזו או אחרת על התפתחות החיים. אם כן, כוכבים מסוג M אינם אידיאליים. לכן, בעוד כוכבים כמו השמש, ננסים מסוג G, אינם הכי מתאימים לחיים, בכוכבים שהם קלים רק במעט מן השמש, ננסים מסוג K, לא יתקיימו בדרך כלל התופעות הללו, והם המועדפים לקיום חיים, לפחות כפי שאנו מכירים אותם. 

האזור הישיב הוא הטווח שבו יכולים להיות מים נוזלים על פני כוכב לכת. בירוק מסומן גודל האזור הישיב של כוכבים מהסדרה הראשית |  מקור: PHL.

• גיל כוכב הלכת: רוב משך קיומו של כדור הארץ לא היו עליו חיים מורכבים בגלל שלא היה באטמוספרה חמצן בכמות גבוהה. נדרש זמן לחמצן שהשתחרר להגיב עם פני הקרקע ולחמצן אותם עד לרוויה, ורק לאחר מכן הוא הצטבר באטמוספרה. קל לדמיין כוכבי לכת שבהם השלב הראשוני, הארוך, יהיה ארוך אף יותר ובעצם יקשה על הפלנטה "לנצל" את הפוטנציאל שלה אם היא נמצאת באיזור הישיב, כלומר מרחק מהשמש שלה הממקם אותה בטווח טמפרטרות שמאפשר קיום מים נוזלים על פניה. אפשר רק לשער שגיל מעט גבוה יותר של כוכב לכת יגדיל מעט את הסיכוי להתפתחות חיים מורכבים על פניו. מדוע רק במעט? מכיוון שגם לגיל מבוגר מדי של כוכב לכת יש השפעות לא טובות על הסיכוי להתפתחות חיים, למשל התקררות של ליבת כוכב הלכת וסיכון רב יותר לאסון ממקור חיצוני כמו התנגשות עם אסטרואיד.

• גודל כוכב הלכת: לכוכב לכת גדול יש יותר שטח ויותר טקטוניקת לוחות הממחזרת חומרים כבדים ששקעו ומשיבה אותם אל פני השטח; יותר חימום פנימי ויותר אטמוספרה. מצד שני, לא ברור לנו איך חיים דמויי-ארץ יכולים להתקיים בענק-גזים. לכן לא כדאי לכוכב לכת להיות גדול עד כדי כך שיווצר מיני-נפטון. ככל הנראה כוכב לכת סלעי, כלומר שרוב המסה שלו הוא סלעים, הוא אידיאלי, לכן הגבול העליון של גודל כוכב הלכת הוא בערך 1.6-1.5 מסות כדור הארץ. 

• הטמפרטורה הממוצעת על פני כוכב לכת מושפעת בעיקר מהמרחק מהשמש שלו, והשינויים בטמפרטורה על פניו לאורך זמן מושפעים בעיקר מזווית הנטיה שלו. מהדוגמה היחידה שלנו, כדור הארץ, אנו לא יכולים לדעת אם אלה התנאים האופטימליים. אנו כן יודעים שכמות ומגוון בעלי החיים גבוהים ביותר באזורים הטרופיים החמים, שבהם האקלים יציב ביותר, ונמוכים ביותר באיזור הקטבים הקרים שבהם תנודות הטמפרטורה גדולות בין העונות. מעניין לציין כי בתור הקרבון, לפני 300-360 מיליון שנה, שהיתה תקופה חמה ורטובה יותר, נוצרה כמות כה גדולה של מסה ביולוגית שאנו עדיין קוצרים אותה היום בצורת פחם, נפט וגז טבעי. כך, עלייה קלה של אולי חמש מעלות תועיל לכמות ולמגוון של בעלי החיים, אבל זה תלוי בפיזיולוגיה שלהם ובכמות המים או הלחות.

• קיומו של ירח גדול: הירח של כדור הארץ מייצב מאוד את זווית הנטייה שלו, ולכן את עונות השנה. ללא ירח גדול סביר שזווית הנטייה היתה עוברת שינויים גדולים וכאוטיים, כמו שחווה מאדים, ולכך היו השפעות גדולות על בעלי חיים: שינויים בתנאי הסביבה אמנם תורמים להגדלת המגוון של בעלי החיים,  אבל רק עד גבול מסויים, ולכן שינויים קיצוניים בעונות השנה נחשבים גורם שלילי לחיים. למעשה, כדור הארץ היום נחשב היום מעט פחות ישיב מאשר כשהיה צעיר, מאחר שהירח היה אז קרוב יותר והשפיע יותר על כדור הארץ. לכן כדאי לכוכב לכת שיהיה לו ירח גדול וקרוב, אך לא קרוב וגדול מדי, כדי שהגופים לא יכנסו לנעילה: במקרה כזה אורכה של היממה יהיה פי כמה וכמה מהערך המוכר לנו היום, ולכך יש משמעויות רבות לפיזור אנרגיית השמש על פני כוכב הלכת.

אנו יכולים לעשות חישובים, אבל בפועל רק לדמיין איך נראים כוכבי לכת במערכות שמש אחרות. הדמיות של כוכבי לכת שגילו תצפיות בטלסקופ החלל קפלר | מקור: LYNETTE COOK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

שאלות בלתי פתורות

כל המאפיינים של כוכבי הלכת שהוזכרו עד כה, כמו גודל, מרחק מהשמש וכו', נגישים עקרונית מבחינה מבחינה תצפיתית: כלומר, אנו יכולים לברר אותם מרחוק ולהעריך על פיהם את מידת ההתאמה של כוכב לכת לקיום חיים. יש עוד מאפיינים רבים של כוכבי לכת שהם חשובים, אבל קשים מאוד עד בלתי אפשריים לתצפית מרחוק, ומשאירים שאלות שלא נוכל לענות עליהן בטווח הנראה לעין:

• הכמות היחסית של מים ויבשה. בפרט, חשוב מאוד שטח האוקיינוס הרדוד, שבו אור השמש חודר אל המים, ולכן מגוון בעלי החיים גדול.

• היסטוריה: יש חשיבות גם לסדר הדברים. ההתנגשות הגדולה שיצרה את הירח קרתה כשכדור הארץ היה צעיר מאוד. מה היה קורה לו היא היתה מתרחשת כשכדור הארץ היה נניח בן שלושה מיליארד שנים, לאחר שהחל החמצן להצטבר באטמוספרה?

• דרגות החומציות (pH), לחץ האוויר, תכולת חמצן, עמידות בקרינה של היצורים, ועוד תכונות שלא נגישות בתצפית מרחוק.

• לבסוף, איננו יודעים איך מתחילים החיים, אפילו לא על כדור הארץ. מהם התנאים המאפשרים יצירת מולקולות אורגניות בסביבה נטולת חמצן? ומתי מולקולות אלו מתחילות "לשתף פעולה" וליצור משהו שאפשר לקרוא לו "חיים"? כל עוד איננו יודעים זאת, אפשר שאנו טועים וכוכב הלכת הנחשב בעינינו כ"סופר-ישיב" הוא בעצם חסר חיים לחלוטין.

הכוכבי הלכת באזור הישיב סביב כוכבים מסוג K (בין הקווים השחורים). הציר האופקי מייצג את המרחק של כוכב לכת מהשמש שלו, הציר האנכי את מסת השמש, גודל הנקודה את מסת הפלנטה והצבע שלה מייצג את הטמפרטורה של השמש | מתוך מאמר המחקר

הרשימה המצומצמת מאוד

כיצד בחרו החוקרים את כוכבי הלכת הסופר-ישיבים, מבין יותר מ-4,000 כוכבי לכת? לצערנו קשה מאוד, תצפיתית, למצוא כוכבי לכת קטנים באזור הישיב של הכוכב שלהם. רובם המכריע של כוכבי הלכת שגילינו הם חמים מדי, גדולים מדי, או גם וגם. עם זאת, אם נתרכז באיזור הישיב נראה שיש שם כשני תריסר גופים - כאשר כמעט כולם הם עדיין רק מועמדים (למעט Kepler 1126 b ו- Kepler-69 c) וטרם זכו לאישור סופי כככובי לכת, ורק אחד מהם מקיים את שלושת התנאים המרכזיים לכוכב לכת סופר-ישיב: כוכב-אם מסוג K, בטווח הגילאים של 8-5 מיליארד שנה, ובטווח של 10 מעלות מהטמפרטורה האופטימלית המוצעת, 19 מעלות צלזיוס.

החוקרים מסכמים שאנו רחוקים מאוד מהיכולת למדוד בפועל כמה מהפרמטרים הנדרשים לכוכב לכת להיות סופר-ישיב. עם זאת, אנו בהחלט מסוגלים לזקק רשימת מועמדים מצומצמת של כוכבי לכת שעשויים להיות סופר-ישיבים, או ליתר דיוק: סופר-ישיבים על פי המודל של כדור הארץ, מכיוון שההיסטוריה של כדור הארץ היא זו שבמידה רבה כיוונה את המודל. מעניין לציין שתכונות כוכב-האם אינן תלויות בתכונות כדור הארץ, ואכן לפי המודל כוכבי לכת סופר-ישיבים יימצאו סביב כוכבים מסוג K, בשונה מהשמש שלנו. כך שייתכנו הטיות גדולות  ומובנות במודל, כאשר מתבססים על דוגמה יחידה.

אף אחד מהמועמדים שזוהו אינו קרוב למערכת השמש שלנו, כולם רחוקים יותר מ-100 שנות אור מכאן. לכן אף אחד מהם ככל הנראה לא יהיה במוקד המחקר של הטלסקופים העתידיים הגדולים. אם בעתיד יימצא כוכב לכת שהוא גם סופר-ישיב וגם קרוב יחסית, אין ספק שהוא יזכה במירב תשומת הלב של האסטרונומים. בכל מקרה, ביקור בכוכב לכת מחוץ למערכת השמש שלנו אינו אפשרי בלי שינוי ניכר בחוקי פיזיקה. אם אכן נגלה כוכבי לכת העונים להגדרות של סופר-ישיבים, נוכל לחפש ראיות לקיומם של חיים, לנסות ליצור קשר עם חיים תבוניים, או לחכות שהם יגיעו אלינו.