השאלה המלאה: אם כוכבי לכת חוץ-שמשיים לא מפיצים אור, ואי אפשר לצפות בהם דרך הטלסקופ (אלא רק לצפות בכוכבי האב שלהם), איך אפשר לשער את הרכב הפלנטה? יונתן
שלום יונתן,
כוכבים ופלנטות עוררו את סקרנותו של האדם מאז ימיהם של קופרניקוס וגלילאו. צורת תנועתם המעניינת הביאה לכמה מהתגליות הראשונות בעולם הפיסיקה וסייעה לניוטון לגלות את חוק הכבידה ולקבוע את יסודות הפיסיקה הקלאסית שמשמשים אותנו עד היום. תצפיות נוספות על כוכבים גילו שהיקום מתפשט ומאיץ, חשפו את דבר קיומם של אנרגיה אפלה וחומר אפל ואישרו את התחזיות מרחיקות הלכת של תורת היחסות הכללית. עם זאת, רק בעשורים האחרונים התפתחה הטכנולוגיה המאפשרת מחקר מעמיק של הפלנטות (כוכבי הלכת) מחוץ למערכת השמש שלנו (אקסו-פלנטות).
כוכב הוא עצם בשמיים שמפיק אנרגיה ופולט אותה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית וחלקיקי ניטרינו. כוכבים הם עצמים גדולים במיוחד והלחץ והטמפרטורה במרכזם גבוהים מספיק כדי ליצור היתוך גרעיני שמעניק לכוכב את האנרגיה שלו ומייצר את הקרינה שהוא פולט.
פלנטה (כוכב לכת) היא עצם קטן בהרבה מכוכב ולכן אין במרכזה היתוך גרעיני והיא פולטת מעט מאוד קרינה אלקטרומגנטית. הפלנטה מסתובבת סביב הכוכב (למשל כדור הארץ שחג סביב השמש) והיא גדולה מספיק כדי שתהיה לה צורה פחות או יותר כדורית, בניגוד לאסטרואידים ולעצמים קטנים יותר.
על פי הקרינה שפולטים הכוכבים אנו יכולים לחשב את המסה, המהירות, הגודל, ההרכב הכימי ותכונות נוספות שלהם. מאחר שהפלנטות אינן פולטות הרבה קרינה, קשה יותר לגלות אותן והמדידות של תכונותיהן צריכות להיות מדויקות יותר ולהשתמש בגלאים רגישים יותר. רוב השיטות שפותחו עד כה לגילוי פלנטות ולחקר תכונותיהן מתבססות על ההשפעה שלהן על הכוכב שאותו הן סובבות.
הכוח המשמעותי בתנועת הכוכבים הוא כוח המשיכה. כדור הארץ נמשך אל השמש בגלל המסה הגדולה שלה, ולכן מסתובב סביבה בזמן סיבוב של 365 ימים. אך גם השמש מרגישה את כוח המשיכה של כדור הארץ והוא גורם לה לנוע בתנועה מעגלית. למעשה, כדור הארץ והשמש נעים שניהם בתנועה מעגלית סביב מרכז משותף. מאחר שהמסה של השמש הרבה יותר גדולה, המרכז המשותף נמצא קרוב מאוד למרכז השמש וקשה מאוד להבחין בתנועתה.
בדומה לכדור הארץ, גם כל פלנטה אחרת משפיעה על הכוכב הקרוב אליה וגורמת לו לנוע בתנועה מעגלית. את מהירות התנועה המעגלית של הכוכב אפשר למדוד באמצעות אפקט דופלר, להסיק מכך את קיומה של הפלנטה ואף להעריך את המסה שלה.
השפעת כוח המשיכה של כדור הארץ על תנועת השמש | איור: ויקיפדיה
במהלך הסיבוב של הפלנטה סביב הכוכב יכול לקרות שהפלנטה תחסום חלק מהקרינה של הכוכב ותמנע ממנה להגיע אל כדור הארץ. במקרה כזה נוכל לצפות בירידה ועלייה של עוצמת האור הבא מהכוכב בפרק הזמן הקצר שבו הפלנטה חולפת על פניו (ביחס לצופה מכדור הארץ). במהלך התנועה של הפלנטה עובר האור של הכוכב דרך האטמוספרה של הפלנטה, ואם מנתחים את קווי הפליטה והבליעה בספקטרום אפשר לזהות חלק מהיסודות באטמוספרה. כמו כן אפשר להעריך את הרדיוס שלה.
חסרונה העיקרי של השיטה הוא שרוב הפלנטות לא עוברות בדיוק בקו הראייה של הכוכב מכדור הארץ, ולכן לא נוכל לחזות בירידה בעוצמת האור הבא מהכוכב.
שילוב של שתי המדידות הנ"ל מאפשר לנו למדוד את גודל הפלנטה ואת המסה שלה ולחשב את צפיפותה הממוצעת. מאחר שלחומרים שונים יש צפיפויות שונות, אפשר להעריך את הרכב החומרים המרכיבים אותה.
קרינת הפלנטה
כפי שציינתי, פלנטות אינן מייצרות אנרגיה במרכזן ולכן לא פולטות הרבה קרינה. מעט הקרינה שבכל זאת מגיעה אלינו מהן יכולה לנבוע משני מקורות: החזרה של קרינה מהכוכב הקרוב לפלנטה (כפי שאור הירח שאנחנו רואים הוא החזר של קרינת השמש) , וקרינה תרמית שנפלטת באורכי גל ארוכים יותר (תת-אדום). קרינה כזו נפלטת מכל גוף שאינו בטמפרטורה אפס, בגלל תנועת האטומים והמולקולות המרכיבים אותו.
מאחר שהפלנטות קרובות לכוכבים שעוצמת האור שלהם חזקה, קשה להבחין בקרינה החלשה מהפלנטה על רקע הקרינה העזה של הכוכב. דרך אחת להבחין בה בכל זאת היא אם הפלנטה מסתובבת במסלול רחוק מהכוכב. במקרה כזה אפשר למדוד את הקרינה המגיעה מהפלנטה ולהעריך באמצעות ספקטרוסקופיה את ההרכב הכימי של האטמוספרה שלה.
פלנטות סביב הכוכב HR8799 | תמונה: נאס"א
דרך נוספת לעשות את זה משתמשת בקיטוב הקרינה – הקרינה הנפלטת מן הכוכב איננה מקוטבת, כלומר כיוון השדה החשמלי בגל שלה הוא מקרי. לעומת זאת, הקרינה המוחזרת מן הפלנטה מקוטבת בגלל האינטרקציה עם המולקולות שבאטמוספרה, ולכן אפשר להפריד בין שתי מקורות הקרינה ולמדוד בדיוק רב את הקרינה המגיעה מן הפלנטה.
בומרנג – בחזרה אלייך
התגלתה פלנטה המסתובבת סביב כוכב, כך שבעיני הצופה מכדור הארץ הכוכב מסתיר את הפלנטה בחלק ממסלולה. האם תוכל באמצעות מדידת הקרינה המגיעה מהכוכב והפלנטה בנקודות שונות במהלך מסלולה לשער את הרכב האטמוספרה של הפלנטה?
חגי אדרי
המחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
