תולדות המים במערכת השמש

כיון שכך, החיפוש אחרי חיים בעולמות רחוקים מתמקד בין שאר בחיפוש אחר מים, ובעיקר מים נוזליים. האם יש עוד מקומות במערכת השמש ובגלקסיה שלנו שקיימים בהם מים נוזליים? מאין הגיעו המים לכדור הארץ? ומה זה אומר על סיכויינו למצוא כוכבי לכת דומים לכדור הארץ סביב שמשות אחרות? ומי יודע – אולי אפילו נמצא בהם יצורים חיים כמונו.

מולקולות המים מורכבות מאטום אחד של חמצן ושני אטומי מימן. מימן, היסוד הפשוט והנפוץ ביותר ביקום, נוצר ברובו בעקבות המפץ הגדול, יחד עם הליום וכמויות זעירות של כמה יסודות נוספים. חמצן, לעומת זאת, הוא יסוד בעל גרעין קצת יותר כבד ממימן ומהליום, והוא נוצר, בדומה ליסודות אחרים כגון פחמן וחנקן, בתגובות הגרעיניות המתרחשות בתוך כוכבים. החומרים בליבתם של כוכבים ענקיים עשויים להתפזר לחלל בפיצוץ סופרנובה, כשהכוכב מסיים את חייו, וכך הדורות הבאים של הכוכבים ייווצרו מגז שמועשר גם ביסודות הללו. תודות לסופרנובות יש במערכת השמש שפע של יסודות שחיוניים לקיום חיים, כגון פחמן, חנקן, גופרית, זרחן, ברזל וחמצן, ועוד יסודות שעיצבו את עולמנו בהם צורן (סיליקון), מגנזיום, סידן ואלומיניום. 

המקור לחמצן וליסודות נוספים החיוניים לקיום חיים כפי שאנו מכירים אותם. הדמיה של פיצוץ סופרנובה | מקור: MEHAU KULYK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אספקה שוטפת מהחלל

השמש וכוכבי הלכת נוצרו מענן של גז שהתעבה, והכיל בעיקר מימן והליום אבל גם יסודות כבדים יותר. כשהשמש החלה לפלוט קרינה וחלקיקים, היא דחקה החוצה את רוב הגז שלא נאגר בתוכה. בחלל הרחוק מהשמש נשאר מספיק גז ליצירת כוכבי הלכת הקדמוניים, שאספו לתוכם גז וצברו מסה רבה. כך נוצרו ענקי הגז כמו צדק ושבתאי.

באזור הקרוב יותר לשמש, הקרינה והחום דחקו את רוב הגזים החוצה, ובו בזמן חיממו חומרים מוצקים כמו קרח וגרמו להם להתנדף. אדי מים מהקרח שהתאדה נדחקו החוצה ממערכת השמש הפנימית והותירו בה רק חומרים כבדים יותר, כגון סלעים ומתכות, שמהם נוצרו כוכבי הלכת הסלעיים כמו כדור הארץ ומאדים. כך שכשכדור הארץ נוצר היו בו מעט מאוד מים.

כמה מודלים מנסים להסביר איך בכל זאת הגיעו מים לכדור הארץ. נראה שחלק מהמים היה חבוי בסלעים הבראשיתיים עצמם, בתוך נקבוביות או קשורים כימית למולקולות של חומרים סופחי מים. אך נראה שחלק הארי של המים שאנו רואים בעולמנו כיום הגיעו לכדור הארץ רק אחרי שהוא התקרר, על גבי אסטרואידים ושביטים שפגעו בו מהחלל.

שביטים הם גופים שמימיים עשירים במים, אך הם נמצאים רוב הזמן בחלקים הרחוקים ביותר של מערכת השמש, כמו חגורת קויפר או ענן אורט, הרחק מעבר למסלולו של כוכב הלכת נפטון. היות שכך, סביר להניח שפגיעותיהם בכדור הארץ היו מעטות וכך גם תרומתם למילוי מאגרי המים שלנו. אסטרואידים, לעומת זאת, מגיעים ברובם מחגורת האסטרואידים שבין מאדים לצדק, והם נוצרו רחוק מספיק מהשמש כדי לשמר לפחות חלק מהחומרים הנדיפים שהיו בגז שממנו הם נוצרו, כגון מים.

מחקרים חדשים מראים שהאסטרואידים הם כנראה המקור לרוב המים בכדור הארץ. אף על פי שברובם יש מעט מים יחסים לשביטים, יש סוגים מסוימים של אסטרואידים שעשויים מסלעים סופחי מים ותכולת המים שלהם גבוהה. ניתוח של הרכב האיזוטופים (אטומים של אותו יסוד שנבדלים אלה מאלה במספר הניטרונים שבהם) של מימן באסטרואידים הללו מראה שהם דומים יותר למים בכדור הארץ מאשר הקרח של השביטים.

המים נדחקו החוצה ממערכת השמש הפנימית. שלבים בהיווצרות מערכת השמש (משמאל לימין) | איור: CLAUS LUNAU / SCIENCE PHOTO LIBRARY

מי החיים

הבנת התהליכים שאחראים לאגירת מים ברחבי מערכת השמש תאפשר לנו להעריך כמה מים מצויים בכוכבי לכת שחגים סביב שמשות אחרות. כדי שכוכב לכת יוכל לקיים חיים כפי שאנו מכירים אותם, עליו להיות בגודל הנכון ובמרחק המתאים מהשמש שלו. אבל גם להיסטוריה שלו יש חשיבות: האם הוא נוצר במקום שהיו בו הרבה מים כשהשמש שלו הייתה צעירה וחמה? האם מספיק אסטרואידים ושביטים פגעו בו במשך השנים כדי למלא את מאגרי המים שלו? נכון להיום המערכת היחידה שאנו יכולים לחקור בה לעומק את התהליכים הללו היא מערכת השמש שלנו.

בשנים האחרונות התגלו אלפי כוכבי לכת שמקיפים שמשות רחוקות. באחדים מהם אנו יכולים למדוד את קיומם של אדי מים באטמוספרה שלהם, באמצעות מדידת צבעים אופיינים באור שנפלט מהכוכב. כשכוכב לכת עובר מול השמש שלו, חלק מהאור המגיע ממנה אלינו עובר דרך האטמוספרה שלו, וצבעים (אורכי גל) מסוימים נבלעים בחומרים שמהם היא מורכבת. מדידות מדויקות מאוד של הצבעים הללו, בתהליך שנקרא ספקטרוסקופיה, מאפשרות לזהות אילו חומרים קיימים באטמוספרה שהאור חצה בדרכו אלינו.

במקרים מסוימים מדענים יכולים גם להעריך את המסה והגודל של כוכבי לכת המקיפים שמשות רחוקות, וחישוב הצפיפות מאפשר לגלות אם מדובר בכוכב לכת סלעי ברובו כמו כדור הארץ, או שהוא עשוי בעיקר ממים. אם כוכב הלכת גם קרוב מספיק לשמש שלו, יכול להיות שהמים שבו יהיו נוזליים, ולא קרח או אדים.

מדידת האור של כוכב יכולה לחשוף את הרכב האטמוספרה של כוכבי הלכת שלו | איור: NASA / SCIENCE PHOTO LIBRARY

סיור במערכת השמש

החיפוש אחר מים אינו מוגבל רק לכוכבי לכת החגים סביב שמשות אחרות. גם במערכת השמש שלנו יש גופים שמכילים מים, ובאחדים מהם אפילו מים נוזליים. ייתכן שבשנים הקרובות, ככל שנעמיק בחקר מאגרי המים הללו, נגלה חיים חוצניים אפילו בחצר האחורית של כדור הארץ.

נתחיל את החיפוש בכוכבי הלכת הפנימיים ביותר, חמה ונוגה. בשניהם אין כמויות משמעותיות של מים, וזה לא מפתיע בהתחשב בקרבתם הרבה לשמש ובטמפרטורות הגבוהות על פניהם. כוכב הלכת חמה (מרקורי) קטן מדי להחזיק אטמוספרה, כך שגם אם היו פעם מים על פניו, הרי שהם התנדפו ברובם וזלגו לחלל כבר מזמן. עם זאת נמצאו שרידים של מים קפואים במכתשים שבקטבים של כוכב חמה. הסיבוב שלו סביב צירו מקביל לציר הסיבוב שלו סביב השמש, כך שהשמש לעולם לא נמצאת מעל הקטבים שלו. לפיכך, בתוך מכתשים יש אזורים שנמצאים תמיד בצל ונותרו בהם מים קפואים.

תופעה דומה אנו רואים גם על הירח שלנו, שם יש מאגרי מים קפואים ליד הקטבים, בתוך מכתשים עמוקים שאינם חשופים לעולם לאור השמש. סימנים עקיפים לקיומם של אדי מים שנפלטים מפני השטח של הירח מעידים על קיומם של מים קפואים קרוב לפני השטח.

כוכב הלכת נוגה מכוסה במעטה עננים סמיך מאוד, העשוי בעיקר פחמן דו-חמצני, לצד עוד כמה תרכובות, אך יש בו מעט מאוד מים. העננים הללו גם מעלים את הטמפרטורות על פני נוגה, הגבוהות בלאו הכי עקב קרבתו של כוכב הלכת לשמש. נראה שגם נוגה חווה בעבר פגיעות חוזרות של אסטרואידים, שסיפקו לו הרבה מים. אבל הם התאדו בגלל הטמפרטורות הגבוהות, וכיוון שאין לנוגה שדה מגנטי גלובלי, רוח השמש סילקה במשך השנים את רוב אטומי החמצן והמימן מהאטמוספרה שלו.

מאדים, כוכב הלכת הרביעי במערכת השמש, שמסלולו נמצא מעבר לזה של כדור הארץ, רחוק יותר מהשמש אבל גם קטן יחסית, וכיום האטמוספרה שלו דלילה מאוד. נראה שבהיעדר שדה מגנטי הוא איבד את רוב האטמוספרה שלו, כולל אדי המים שהיו בה, כך שכיום נשארה כמות קטנה יחסית של מים בכוכב הלכת האדום.

רוב המים במאדים מרוכזים בקטבים, וחלקם ספוגים בסלעים מתחת לפני השטח. נראה שבעבר הייתה למאדים אטמוספרה דומה לזו של כדור הארץ, והיו על פניו מים נוזליים. מעידים על כך מבנים גיאולוגים שנותרו בו, כמו ערוצי נחל יבשים ודלתות חרבות.

מדידות מסוימות הראו שקיימים אגמי מים מלוחים מתחת לקרח בקוטב הדרומי של מאדים. גשושיות שנחתו על מאדים מחפשות ראיות לקיומם של מים נוזלים וששרידים שהותירו יצורים חיים על פני השטח, אבל עד כה לא מצאו ראיות כאלה. נמשך החיפוש אחרי מאגרי מים זמינים במאדים, במטרה לאפשר בבוא היום לחוקרים במשלחות מאוישות למאדים להקים מושבה עצמאית על כוכב הלכת.

מים עונתיים על אמדים: חוקרים מעריכים כי הפסים הכהים בצילום הלוויין נוצרים מהפשרת קרח בקיץ | מקור: NASA / JPL-CALTECH / UNIVERSITY OF ARIZONA

השכנים הרחוקים

כוכבי הלכת הענקיים צדק ושבתאי עשוים מגז, שכנראה אופף גרעין פנימי של חומר מוצק. מכיוון שהלחץ בתוכם גבוה מאוד, קשה להאמין שקיימים מים נוזלים על פני השטח שמתחת לעננים – אם בכלל יש להם פני שטח מוצקים. שני כוכבי הלכת הרחוקים, ענקי הקרח אורנוס (אורון) ונפטון (רהב), עטויים גם הם אטמוספרה כבדה מאוד. ענקי הקרח הללו, שנוצרו רחוק מאוד מהשמש, אומנם מכילים שפע של מים וחומרים נדיפים אחרים, אך אין להם פני שטח ברורים שעליהם יכולים להתקיים מים נוזליים.

נוסף על כוכבי הלכת אפשר למצוא שפע של מים קפואים בשביטים המקיפים את מערכת השמש בחגורת קויפר, שנמצאת מעבר למסלול של נפטון ויש בה גופים קפואים רבים. גם כוכב הלכת הננסי פלוטו, הנמצא בחגורת קויפר, מכיל קרח מים קפוא, ואולי אפילו אוקיינוס תת-קרקעי של מים נוזליים.

שביטים נוספים קיימים בענן אורט – אזור שנמצא בשוליים החיצוניים של מערכת השמש. מדי פעם שביטים נופלים ללב מערכת השמש. כשהם מתקרבים לשמש הם מתחילים להתאדות, ואדי מים, מתאן, פחמן דו-חמצני ותרכובות אחרות שנמצאות בהם במצב צבירה מוצק, מתחילים להתנדף. כך נוצר סביב השביטים ענן של גזים נדיפים, שנראה כמו זנב או הילה שמקיפה אותם. כשהם רחוקים מהשמש הם נראים כמו גושי סלע וקרח רגילים.

שפע של מים קפואים. ענק הקרח אורנוס במבט דמיוני מירחו, אריאל | איור: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אוקיינוס קפוא

לבסוף, בכמה מהירחים של כוכבי הלכת יש כמות גדולה של מים, ובחלקם אפילו אוקיינוסים תת-קרקעיים של מים במצב צבירה נוזלי. שתי דוגמאות בולטות לכך הם אירופה ואנקלדוס, ירחים של כוכבי הלכת צדק ושבתאי (בהתאמה).

בשנת 2015 צילמה הגשושית קסיני, שנשלחה לסקור את שבתאי וסביבתו, סילונים של אדי מים שנפלטו מהקוטב הדרומי של אנקלדוס. פני השטח של הירח הזה עשויים קרח מוצק, והעובדה שאדי מים נפלטים ממנו במעין גייזרים קפואים רומזת שקיים בתוכו אוקיינוס תת-קרקעי נוזלי, מתחת לשכבה בעובי עשרות קילומטרים של קרח.

הירח הקפוא, המרוחק מאוד מחום השמש, נראה מבחוץ כאילו הוא עשוי קרח מוצק לכל עומקו. אבל כיום מדענים סבורים שכוחות משיכה חזקים בין כוכב הלכת הענק שבתאי והחומרים בתוך הליבה של אנקלדוס מספקים אנרגיית חום ששומרת את המים מתחת למעטה הקרח במצב נוזלי. אם אכן הטמפרטורה בתוך הירח נוחה לקיום חיים,ייתכן שבבוא היום נגלה צורות חיים חדשות ומפתיעות שהתפתחו עמוק מתחת לקרח.

האם המים הפורצים מפני השטח מעידים על אוקיינוס נוזלי מתחת לקרח? גייזר על אנקלדוס | איור: JOHN R. FOSTER / SCIENCE PHOTO LIBRARY

גם בירח אירופה, הג סביב צדק, קיים כנראה אוקיינוס נוזלי מתחת לקרח, וטלסקופ החלל האבל צפה גם בו בהתפרצויות מזדמנות של אדי מים. גם ירחים אחרים במערכת השמש עשויים להכיל כמות מסוימת של מים נוזליים, אבל אין עדיין ראיות משכנעות מספיק כדי לקבוע את זה בביטחון. ירחים שנוצרו רחוק מספיק מהשמש יכולים להכיל כמות גדולה של מים, וכוחות המשיכה של כוכב הלכת שלהם עשויים להיות חזקים מספיק כדי לשמור חלק מהם במצב צבירה נוזלי מתחת לפני השטח.

החיפוש אחר חיים, כפי שאנו מכירים אותם, מחוץ לכדור הארץ מתחיל בחיפוש אחרי מים נוזליים. לפני שנמצא חיים באוקיינוסים התת-קרקעיים של מערכת השמש או בכוכבי לכת דמויי ארץ במערכות שמש אחרות, נצטרך קודם להבין איך המים הגיעו לכוכבי הלכת והירחים בסביבתנו הקרובה, ואיפה עוד אפשר למצוא אותם במצב נוזלי.

עולמות המים - סרטון של NASA על האוקיינוסים התת-קרקעיים בירחי צדק ושבתאי (אנגלית):