לעולם בעקבות השמש

אם תסתכלו בתמונה של מערכת השמש באתר או בספר (לפחות אם הספר חדש יחסית, ונכתב אחרי 2006), תמצאו את השמש במרכז וסביבה שמונה כוכבי לכת. את חמשת הקרובים ביותר לכדור הארץ – חמה, נוגה, מאדים, צדק ושבתאי – אפשר לראות בשמי הלילה בלי צורך בטלסקופ, והם ידועים לבני האדם עוד מתקופת מצרים העתיקה. לגילוי כוכב הלכת הבא היה צריך לחכות אלפי שנים, עד שלהי המאה ה-18.

הגילוי של אורנוס ונפטון

במהלך חודש מרץ 1781 צפה האסטרונום הגרמני-בריטי ויליאם הרשל (Herschel) בנקודה בהירה בשמיים. ארבעה ימים לאחר התצפית הראשונה הבחין הרשל כי הנקודה זזה, והסיק כי הגוף שהוא מתבונן בו איננו כוכב שֶבֶת: כוכבי השבת – כלומר שמשות אחרות משלנו – רחוקים מאיתנו עד כדי כך שאיננו יכולים להבחין בתנועה שלהם על פני כיפת השמיים. תחילה חשב הרשל שמדובר בשביט. האפשרות שגילה כוכב לכת חדש הייתה רחוקה ופרועה: אף אחד לא גילה כוכב לכת חדש זה אלפי שנים. הקהילה המדעית דנה בשאלה מהו העצם הזה במשך כארבעים שנה, עד שמנהל מצפה הכוכבים בפריז אלכסי בובאר (Bouvard) שם קץ לוויכוח, וקבע בשנת 1823 כי זהו כוכב לכת חדש למדע. האסטרונום הגרמני יוהן בודה (Bode) העניק לו את השם "אורנוס", על שם אל השמיים היווני. הרשל חשב שהוא רואה גם טבעת סביב כוכב הלכת, אבל התצפית הזאת אומתה רק כעבור כמאתיים שנה.

40 שנות דיונים. הרשל וכוכב הלכת אורנוס | מקור: ציור של למואל אבוט מ-1785 (נחלת הכלל), NASA

כוכב הלכת המרוחק ביותר במערכת השמש, נפטון – שמרחקו הממוצע מהשמש כ-4.5 מיליארדי קילומטרים – התגלה בספטמבר 1846. הייתה זו הפעם הראשונה שאסטרונומים חזו את קיומו של כוכב לכת לפני שצפו בו בפועל, על סמך שינויים בלתי מוסברים במסלולו של אורנוס. בובאר, שהיה תיאורטיקן ולא תצפיתן, האשים תחילה את האסטרונומים המתצפתים כי המדידות שלהם אינן מדויקות. אך ברבות השנים, כשנוספו עוד תצפיות ודיוּקן השתפר, הבין בובאר כי יש עוד כוכב לכת קרוב לאורנוס, המסיט אותו קלות ממסלולו. בובאר הציג את הנתונים בפני אורבן לה-וריה (Le Verrier), שעבד אצלו במצפה הכוכבים בפריז, והטיל עליו את המשימה למצוא את כוכב הלכת. לה-וריה שלח את התחזיות שלו למצפה הכוכבים בברלין, וביום שבו התקבל המכתב נצפה נפטון לראשונה בידי האסטרונום הגרמני יוהן גאלה (Galle).

גילוי נפטון השלים את התמונה המלאה של כוכבי הלכת במערכת השמש, אך עדיין היו בה הפתעות נוספות. ב-1930 גילה האסטרונום האמריקאי קלייד טומבו (Tombaugh) את פלוטו, שמרחקו הממוצע מהשמש הוא 6 מיליארדי קילומטרים. במשך עשרות שנים נחשב פלוטו כוכב לכת, עד שב-2006 החליטו האסטרונומים כי הוא רק כוכב לכת ננסי, והפחיתו לשמונה את מספר כוכבי הלכת במערכת השמש שלנו.

האם סוף-סוף הגענו לקצה מערכת השמש? מתברר שלא. למעשה, פלוטו קרוב הרבה יותר לשמש עצמה מאשר לסוף מערכת השמש, והוא רק אחד מבין מיליוני גופים אשר לכודים בשדה הכבידה של השמש ומאכלסים אזורים הנקראים חגורת קויפר וענן אורט.

הגילוי הראשון שהתבסס על תחזית. מצפה הכוכבים בברלין במאה ה-19 וכוכב הלכת נפטון בצילום של החללית וויאג'ר | מקורות: ויקיפדיה (נחלת הכלל), NASA

חגורת קויפר

כמובן, גילוי פלוטו לא גרם לאסטרונומים להפסיק לחפש גופים רחוקים יותר. האסטרונום האמריקאי-הולנדי ג'רארד קויפר (Kuiper), שכתב מאמר על היווצרות מערכת השמש ב-1951, אמנם זכה שחגורת קויפר תיקרא על שמו, אך הוא לא היה הראשון ששיער את דבר קיומה. שמונה שנים קודם לכן, האסטרונום קנת' אדג'וורת' (Edgeworth) שיער כי מעבר לפלוטו נמצאים עוד המוני גופים קטנים, אך בגלל מרחקם הגדול זה מזה, הם אינם מתגבשים לגוף גדול יותר (מאחר שמערכת השמש היא בעלת צורת דיסקה, הרי שככל שמתרחקים מהמרכז, המרחקים בין עצמים הם גדולים יותר). כמעט 50 שנה חלפו עד גילויה בפועל של חגורת האסטרואידים הזאת – בשנות ה-90, עם שיכלולם של הטלסקופים ושל שיטות החיפוש והתצפית. מדענים רבים מקפידים עד היום לכנות את רצועת האסטרואידים בשם "חגורת קויפר-אדג'וורת'", כדי לחלוק את הכבוד הראוי לשני החוקרים שצפו את קיומה.

החגורה נוצרה בראשית ימיה של מערכת השמש, כאשר כוכבי הלכת שהתרחקו מהשמש הרחיקו גם את הגופים שיצרו את החגורה. גודל הגופים האלה מגוון: לצד גופים גדולים מאוד (כוכבי לכת ננסיים כמו פלוטו והַאוּמֶיָה), היא מורכבת בעיקר ממיליוני אסטרואידים ושביטים הנעים במסלולים יציבים סביב השמש. מדי פעם, עצמים מהחגורה חולפים קרוב אלינו (במונחים אסטרונומיים): לעיתים משום שזהו מסלולם היציב, ולעיתים מפני שכוכב לכת אחר (בעיקר נפטון או צדק) הפעיל עליהם כוח משיכה חזק, שהסיט אותם ממסלולם לתוך פְּנים מערכת השמש.

העצמים הללו הם אסטרואידים או שביטים, הנבדלים אלה מאלה בהרכבם הכימי. בעוד שאסטרואידים מורכבים בעיקר ממתכות ומסלעים, שביטים מורכבים גם מקרח ומאבק. כאשר שביט מתקרב לשמש, הוא מתחמם והקרח מתאדה. זהו זנב השביט שאנו רואים, וכך יכלו תרבויות עתיקות לצפות בשביטים חולפים – אף שאז חשבו כי מדובר בתופעה אטמוספרית. רק לקראת סוף המאה ה-16 חישב האסטרונום הדני טיכו ברהה (Brahe) את מרחקו של "השביט הגדול של 1577", והבין כי מדובר בתופעה המתרחשת הרחק מחוץ לכדור הארץ. ב-1705 חישב האסטרונום האנגלי אדמונד האלי (Halley) את מסלולם של תריסר שביטים, וחזה לראשונה את שובו של שביט, שאכן נצפה בשנית ב-1758.

הרחק מחוץ לאטמוספרה. תחריט עץ של אנשים צופים בפראג בשביט של 1577 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

הדיסק המפוזר

חגורת קויפר משתרעת עד למרחק של כ-7.5 מיליארד קילומטרים מהשמש – אך מערכת השמש מתפרשת עוד הלאה. במאה הנוכחית החלו חוקרים לגלות גופים ננסיים (בעלי רדיוס של כמה מאות קילומטרים) מעבר לחגורת קויפר. לגופים אלה יש מסלולים אליפטיים מאוד והטיה גדולה מעל מישור המילקֶה (המישור שעליו סובבים כוכבי הלכת סביב השמש). האזור הזה נקרא הדיסק המפוזר. הגוף הגדול ביותר באזור זה, אֶרִיס, גדול יותר מפלוטו ואף יש לו ירח.

כיום משערים שהגופים בדיסק המפוזר היו בעברם בחגורת קויפר, אך בניגוד לעצמים שנשארו בחגורת קויפר, בזכות כוח המשיכה של נפטון שעוזר לשמור אותם במסלולם, האינטראקציות של הגופים האלה עם כוח המשיכה של נפטון דווקא העיפו אותם למסלול פרוע הרבה יותר.

אך זה אינו ההסבר היחיד. הסבר אפשרי אחר הוא נוכחותו של כוכב לכת נוסף במערכת השמש.

 גדול מפלוטו, אך עדיין נחשב לכוכב לכת ננסי. הדמיה של אריס והירח שלו | מקור: NASA, ESA, and A. Schaller (for STScI)

כוכב לכת תשיעי

רבים מהגופים הננסיים בדיסק המפוזר חולקים הטיה ברורה של מישור התנועה שלהם לאותו כיוון. בנוסף, הגופים הללו אינם חודרים לתוך חגורת קויפר, בשונה מגופים אחרים בדיסק המפוזר. העובדה שהם אינם עוברים קרוב לנפטון מעלה תהיות, מפני שאם נפטון היה הגורם אשר הסיט אותם ממסלולם, היינו מצפים שהם גם יחזרו ויעברו בקרבתו במסלולם האליפטי (בדומה לבומרנג החוזר ליד הזורק).

הסבר פופולרי לכך הוא קיומו של כוכב לכת נוסף, המכונה כוכב לכת 9 או כוכב לכת X.

בהדמיות שנעשו כדי להבין מהם המאפיינים שצריכים להיות לכוכב לכת 9 כדי להסיט את מסלולם של הגופים הננסיים, נמצא שהמסה שלו צריכה להיות גדולה בערך פי עשרה ממסת כדור הארץ. לאחר צפייה במערכות שמש רבות, אנו יודעים כי כוכבי לכת בעלי מסה כזו הם נפוצים, ולא ברור למה במערכת השמש שלנו אין כוכב לכת כזה. כוכב לכת 9 עשוי לספק את הפיסה החסרה בפאזל. בנוסף, זו גם המסה המוערכת של ליבת כוכב לכת מסוג ענקי הגז, כמו כוכבי הלכת צדק ושבתאי. לכן, החוקרים הסבורים כי יש כוכב לכת כזה משערים כי הוא נוצר בקרבת ענקי הגז האחרים, אך בעת נדידת כוכבי הלכת, הוא המשיך להתרחק מהשמש. עם זאת, לעת עתה אין ראיות של ממש לקיומו של כוכב לכת כזה.

90 מיליארד קילומטרים מהשמש, הרבה יותר רחוק מכוכבי הלכת המוכרים. הדמיה של "כוכב לכת תשע" | איור: Caltech/R. Hurt

ענן אורט

מעבר לדיסק המפוזר מתחיל אזור הנקרא ענן אורט, על שם האסטרונום ההולנדי יאן אורט (Oort), החוקר הראשון ששיער את דבר קיומו של הענן, ב-1950. בשונה מחגורת קויפר, לענן אורט יש צורה של כדור שלם, העוטף לגמרי את מערכת השמש. איננו יודעים בדיוק מה הגודל שלו, אך הוא כה עצום, שכדי לתאר את ממדיו נוח להשתמש ביחידות של שנות אור (שנת אור היא המרחק שאור עושה בשנה אחת, כלומר כמעט 10 טריליון קילומטר). כיום מעריכים כי ענן אורט מתחיל במרחק של 0.05 שנות אור מהשמש, ומשתרע עד למרחק של 3-1.5 שנות אור. עם זאת, לא כל כך ברור כיצד יש לקבוע איפה הענן מסתיים. מתי נקבע כי אובייקט מסוים הוא האחרון בענן? הרי תמיד נמצא אחד אחריו. סוכנות החלל האמריקאית, נאס"א, למשל, מציינת את הגבול התחתון של 1.5 שנות אור.

גם הגופים בענן אורט נוצרו בימיה הראשונים של מערכת השמש, והגיעו למקומם הנוכחי בעקבות נדידת כוכבי הלכת. כוחות הכבידה שפעלו על הגופים הללו כשעדיין היו קרובים לשמש היו כה חזקים, שהם גרמו למסלול שלהם "להשתגע" והגדילו מאוד את האלמנטים המסלוליים שלהם, כמו מרחק מהשמש, הטיה ממישור המילקה ואליפטיות המסלול. בנוסף, במרחק הרב שבו נמצאים הגופים הללו, הם חשופים גם לכוחות משיכה של גופים מחוץ למערכת השמש, כמו כוכבים המתקרבים למערכת השמש שלנו במהלך תנועתם בגלקסיה. דוגמה לכוכב כזה היא כוכב שולץ, שחלף בקרבתנו לפני 70,000 שנה. גם המשיכה של גופים כאלה עשויה להשפיע על המסלולים של עצמים בענן אורט. כמה מהגופים בענן כלל לא נוצרו במערכת השמש שלנו, אלא נלכדו בכוח המשיכה של השמש בעת שיוטם בחלל, או שהשמש "גנבה" אותם מכוכב אחר.

נפח עצום. יאן אורט ואיור של הענן המקיף את מערכת השמש | מקור: EMILIO SEGRE VISUAL ARCHIVES / SPENCER SUTTON / SCIENCE PHOTO LIBRARY

עצמים מחוץ למערכת השמש

לעיתים חודרים לתוך מערכת השמש שלנו גופים שנפלטו ממערכות שמש אחרות. ב-2017 צפינו לראשונה בעצם כזה, שזכה לשם אומואמואה (ʻOumuamua), מילה בשפת הוואי שפירושה "סייר" או "שליח". כמה מאפיינים מבדילים את אומואמואה מהאסטרואידים המוכרים לנו, ומעוררים חשד שמדובר באורח זמני מהחלל הרחוק: הוא נע סביב כל הצירים שלו (זוהי תנועה אנרגטית מאוד, המרמזת שהוא "נזרק" באופן אלים ממערכת שמש אחרת); צורתו מזכירה בגט ואורכו כמה מאות מטרים. כמו כן חישוב המסלול שלו מראה כי הוא אינו מסתובב סביב השמש, אלא עתיד לצאת ממערכת השמש שלנו.

המאפיינים המוזרים של אומואמואה גרמו לכמה מדענים, שהנודע שבהם הוא האסטרופיזיקאי הישראלי פרופ' אבי לייב מאוניברסיטת הרווארד, להעלות את הסברה שאולי מדובר בספינת חייזרים. אך עד כה, הניסיונות לאתר אותות רדיו מאומואמואה העלו חרס.

אין בינתיים ראיות לפעילות תבונית של חוצנים. Oumuamua | איור: מצפה הכוכבים האירופי הדרומי, ESO

מצפים להפתעות

מספרם העצום, גודלם והמגוון הרחב של העצמים במערכת השמש הם עדות לכוח המשיכה האדיר שלה, הלוכד גופים ממרחקים עצומים. למעשה, מערכת השמש עצומה כל כך, שהנפח שמאכלסים כוכבי הלכת הוא זעיר יחסית: כטריליונית בלבד מנפח מערכת השמש. בשל מרחקם הרב של הגופים בחגורת קויפר ומעבר לה מהשמש, מדענים מניחים כי הם לא עברו שינויים רבים מימי היווצרותה של המערכת. לפיכך, גופים אלו הם מקור מידע על מערכת השמש בתחילת דרכה, למשל הרכב הסלעים הראשונים שמהם נוצרו כוכבי הלכת, המסה של ענן הגז והאבק שממנו נוצרה מערכת השמש, כיצד נדדו כוכבי הלכת הרחק מהשמש ועוד. בנוסף, ניתן ללמוד מהם על האינטראקציה בין מערכת השמש שלנו ומערכות שמש שכנות. אפשר לומר בבטחה שלחקר מערכת השמש יש עוד פוטנציאל רחב לתגליות ולהפתעות.