איך נוצרים
כוכבי לכת גזיים?

השאלה איך נוצר העולם העסיקה את המין האנושי משחר ההיסטוריה. במרוצת הדורות למדנו להבין שכדור הארץ הוא רק עולם אחד מיני רבים, ובכל זאת, עד לפני שלושה עשורים בלבד כוכבי הלכת היחידים שהכרנו היו אלה שנמצאים ממש כאן בשכונה – במערכת השמש שלנו. אין פלא אפוא שהתיאוריות שניסו להסביר איך כוכבי לכת נוצרים התמקדו בכוכבי הלכת הידועים בלבד.

כוכבי הלכת הראשונים מחוץ למערכת השמש שלנו התגלו רק לקראת סוף המאה ה-20, ומהרגע הראשון הם ערערו את כל מה שחשבנו שאנחנו יודעים על היווצרות מערכות כוכבי לכת והתפתחותן. ככל שהתגליות הללו מצטברות, כך מתחדדת ההבנה שלנו בנוגע לדרכים שבהן כוכבי לכת יכולים להיווצר.

בתי יולדות לכוכבים

התיאוריה המובילה כיום להיווצרות מערכות שמש היא תיאוריית הערפילית. היא נהגתה לראשונה כבר במאה ה-18, כשהפילוסוף הגרמני עמנואל קאנט והאסטרונום/מתמטיקאי הצרפתי פייר-סימון לפלס (Laplace) הציעו אותה, כל אחד בנפרד. עם השנים היא נזנחה וכמעט נשכחה, עד שצצה מחדש בניסוח עדכני בסוף שנות ה-60 של המאה ה-20.

לפי התיאוריה הזאת, בתווך הבין-כוכבי יש ענני גז עצומים, שעשויים בעיקר ממימן ומכונים "עננים מולקולריים". העננים הללו משמשים מעין "בתי יולדות" לכוכבים, שנוצרים מהחומר שבענן, שכולל גם אבק. תיאוריית הערפילית אומרת כי כשנוצר כוכב חדש – כלומר שמש חדשה – לא כל החומר שבענן נבלע בכוכב. מעט הגז והאבק שלא נטמעו בשמש מצטברים סביבה בצורת דיסקה שטוחה, שמכונה "דיסקה קדם-פלנטרית". ממנה ייווצרו בהמשך כוכבי הלכת.

הענן המולקולרי אוריון משמש כבית יולדות של כוכבים. התמונה צולמה באור תת-אדום בעזרת הטלסקופ VISTA | צילום: ESO/VISION survey

הכוכבים נוצרים בתהליך של קריסה פנימה בעקבות התפרקות הענן. כשהמסה של ענן מולקולרי גדולה מספיק, או בעקבות הפרעה חיצונית כמו התנגשות בענן אחר, הוא מאבד את יציבותו, ועל כן מתפרק להמון חלקים קטנים יותר. כל אחד מקרעי הענן קורס אל תוך עצמו בהשפעת כוח הכבידה העצמי שלו. גם אלה מתפרקים לחלקים עוד יותר קטנים, שממשיכים לקרוס פנימה עד שנוצר מכל אחד מהם כוכב. שאריות הענן שלא נספחו יוצרות דיסקה מסביב לכל כוכב, כך שהדיסקה הקדם-פלנטרית היא תוצר לוואי של תהליך ההיווצרות של הכוכב.

התמונה הברורה הראשונה של דיסקה קדם-פלנטרית, שצולמה בעזרת מערך טלסקופי הרדיו ALMA ב-2014 סביב הכוכב HL Tauri. הטבעות הכהות הן כנראה מסלולים של כוכבי לכת בתהליך היווצרות | צילום: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

מקריסה לגדילה

לפי תאוריית הערפילית, כוכבי לכת נוצרים בתהליך הפוך בכיוונו מזה שיצר את השמש שלהם: הם לא קורסים פנימה אלא גדלים מבפנים החוצה. מדובר בתהליך איטי ומתמשך שבו חלקיקי אבק בדיסקה הקדם-פלנטרית מתנגשים אלה באלה ומתגבשים בהדרגה לאבנים קטנות. האבנים האלה, בתורן, ממשיכות להתגבש זו עם זו לגושי סלע גדולים בקוטר של יותר מקילומטר, המכונים פלנטסימלים (planetesimals), כלומר חתיכות קטנות של כוכב לכת. הפלנטסימל כבר גדול מספיק כדי למשוך אליו בכוח הכבידה שלו מוצקים וגזים מהדיסקה בקצב מהיר, ולהפוך לקדם-כוכב לכת. ככל שקדם-כוכב הלכת גדול יותר, הוא מנקה ביעילות רבה יותר את חומר הדיסקה בסביבת מסלולו, ואפילו סופח אליו כוכבי לכת קטנים יותר.

במרחקים קרובים יחסית לכוכב, טמפרטורת הדיסקה גבוהה יותר מטמפרטורת הקיפאון של תרכובות נדיפות כמו מים, מתאן, ואמוניה. לכן החומרים הנדיפים האלה נמצאים במצב צבירה גזי, ולא יכולים להתעבות על פני חלקיקי האבק והאבנים ולהגדיל את ליבת כוכב הלכת. כך התיאוריה מסבירה מדוע במערכת השמש שלנו כוכבי הלכת הקרובים ביותר לשמש – חמה, נוגה, כדור הארץ ומאדים – הם כוכבי לכת סלעיים.

מכיוון שטמפרטורת הדיסקה יורדת ככל שמתרחקים מהכוכב, במרחקים העולים על "קו השלג" – המרחק שבו טמפרטורת הדיסקה מתאימה לטמפרטורת הקיפאון של החומרים הנדיפים האלה – יש הרבה יותר חומר מוצק שיכול להשתתף בתהליך יצירת כוכב הלכת. על כן במרחקים האלה יכולים להיווצר קדם-כוכבי לכת הרבה יותר גדולים, עם ליבה שמורכבת מסלעים ומקרח. קדם-כוכבי לכת ענקיים כאלה מסוגלים לספוח אליהם כמות אדירה של גז מהדיסקה, ולהפוך לענקים גזיים, כמו צדק ושבתאי. במרחקים גדולים עוד יותר, צפיפות החומר בדיסקה דלילה יותר. לכן נוצרו שם ענקי קרח קטנים יותר, כמו אורנוס ונפטון. המודל הזה, שמסביר את יצירת הענקים הגזיים באמצעות ספיחה רבה של גז על גבי הליבה הראשונית של קדם-כוכב הלכת, מכונה מודל ספיחת הליבה.

כוכבי הלכת הארציים נמצאים במסלולים קרובים יותר לשמש, הענקים הגזיים מעבר לקו השלג, ואחריהם ענקי הקרח אורנוס ונפטון. מודל של מערכת השמש | NASA, JPL, Science Photo Library

שמשות אחרות, כללים אחרים?

הדינמיקה הזאת תואמת היטב את מבנה מערכת השמש שלנו, וממנה עולה לכאורה המסקנה שענקים גזיים יכולים להימצא רק מעבר לקו השלג. והנה למרבה ההפתעה, כוכב הלכת הראשון שהתגלה סביב כוכב דמוי שמש, 51Pegasi b, הוא ענק גזי שחג כמעט צמוד לשמש שלו – במרחק שקטן כמעט פי 19 מזה שמפריד בין מסלול כדור הארץ לשמש. על התגלית הזאת זכו החוקרים מישל מאיו (Mayor) ודידיה קלו (Queloz) בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2019. מאז התגלו ענקים גזיים רבים במסלולים קרובים לכוכב שלהם, שזכו לכינוי "צדק חם" על שם כוכב הלכת צדק. לפי ההסבר המוביל, הענקים הגזיים האלה נוצרו במקור הרחק מהכוכב, מעבר לקו השלג, ורק לאחר מכן נדדו פנימה למסלול קרוב יותר.

תגלית חדשה שהתפרסמה לפני כמה חודשים בכתב העת Nature Astronomy מאתגרת את מודל ספיחת הליבה בתור ההסבר המקובל להיווצרות כוכבי לכת גזיים. מתברר שבמסגרת תיאוריית הערפילית ייתכן מסלול חלופי ליצירת ענקים גזיים, שמכונה מודל אי-יציבות הדיסקה. לפי זה, ענקים גזיים יכולים להיווצר ישירות מקריסה של חלקי דיסקה שהתפרקו, בלי צורך ביצירה קודמת של ליבת קדם-כוכב לכת, בדומה לאופן שבו כוכבים נוצרים מקרעי ענן מולקולרי.

במחקר, שנעשה בהובלת האסטרונום תיין קארי (Currie) מטלסקופ סובארו של מצפה הכוכבים הלאומי היפני בהוואי, גילו החוקרים קדם-כוכב לכת גזי סביב הכוכב AB Aurigae שבקבוצת הכוכבים עגלון. מדובר בכוכב צעיר מאוד במונחים אסטרונומיים – 5-1 מיליוני שנים בלבד, והוא אכן מוקף עדיין בדיסקה קדם-פלנטרית. בתמונות שהתקבלו מהטלסקופ סובארו שבהוואי ומטלסקופ החלל האבל, זיהו החוקרים את קדם-כוכב הלכת ככתם בוהק בדיסקה, שנראה משנה את מיקומו לאורך מסלולו סביב הכוכב בתמונות שצולמו בשנים שונות.

החוקרים העריכו שהמסה של קדם-כוכב הלכת הזה גדולה פי תשעה מזו של צדק, ושמרחקו מהכוכב שלו גדול פי 3.1 מהמרחק של נפטון מהשמש. במרחק כזה מהכוכב הדיסקה אינה צפופה מספיק ליצירת ענק גזי בדרך של התגבשות, כמו שמציע מודל ספיחת הליבה, וזה מחזק את האפשרות שכוכב הלכת הענק נוצר עקב אי-יציבות הדיסקה.

גדול פי תשעה מצדק. קדם-כוכב הלכת AB Aurigae b בתמונות מטלסקופ החלל האבל מ-2007 ומ-2021, מופיע ככתם בוהק מתחת לכוכב | NASA, ESA, Thayne Currie (Subaru Telescope, Eureka Scientific Inc.) Alyssa Pagan, STScI

מכיוון שמערכת כוכבי הלכת של AB Aurigae עדיין צעירה מאוד, אפשר לפסול את האפשרות שהענק הגזי התגבש קרוב יותר לכוכב ונדד משם החוצה. בנוסף זיהו החוקרים זרועות ספירליות שמקשרות בין קדם-כוכב הלכת לבין אזורי הדיסקה הסמוכים. לדבריהם, גם הממצא הזה תואם את תחזיות מודל אי-יציבות הדיסקה.

זוהי ראיה ישירה ראשונה לכך שכוכבי לכת גזיים יכולים להיווצר מקריסה של אזורים לא יציבים בדיסקה הקדם-פלנטרית. נראה אם כן שענקים גזיים יכולים להיווצר בדרכים שונות ומגוונות. ככל שאנו מגלים יותר ויותר מערכות כוכבי לכת, גם הבנתנו את האופן שבו נוצרו מערכת השמש שלנו ומערכות כוכבי לכת אחרות הולכת ומעמיקה.