הרוחות העמוקות של שבתאי

כמו צדק, גם שבתאי הוא כוכב לכת ענקי המורכב מגז, בעיקר מימן והליום. בחלק החיצוני שלו – האטמוספרה – הגז דליל יחסית, וצפיפותו עולה ככל שמתקרבים למרכז כוכב הלכת. אבל איפה עובר הגבול בין האטמוספרה לכוכב הלכת עצמו? חוקרים ממכון ויצמן למדע שניתחו מדידות של החללית קסיני מצאו תשובה מפתיעה: הגבול נמצא בעומק של כמעט 9000 קילומטר. פירושו של דבר הוא שהאטמוספרה של שבתאי הרבה יותר עמוקה מזו של שכנו, צדק.

מבט מקרוב מאוד. הדמיה של מעבר החללית קסיני בין שבתאי לטבעותיו בסיום המשימה | מקור: NASA

עושים צדק עם שבתאי

הממצאים מתפרסמים במאמר בכתב העת Science, שבו סוקר צוות חוקרים בינלאומי את התוצאות של מדידות כבידה שעשתה החללית בהקפות האחרונות של שבתאי, כשחלפה קרוב מאוד לכוכב הלכת עצמו - בינו לבין הטבעות - בטרם התרסקה לתוכו בכוונה לפני כשנה וחצי. מדידות הכבידה מבוססות על אות רדיו שהחללית משגרת לכדור הארץ: תחנות קרקע מודדות בדיוק רב את התדירויות של גלי הרדיו, ומשוות אותן לצפוי. בעזרת אפקט דופלר, הגורם לשינוי בתדירות הגלים על פי תנועת החללית, המדענים יכולים לחשב אם היא מאיצה או מאיטה יותר ממה שהיה צפוי אילו שבתאי היה כוכב לכת אחיד – כלומר, אילו המסה שלו הייתה מפוזרת באופן שווה בכל הנפח.

השינויים במהירות החללית מלמדים על הפרעות כבידה מקומיות, ואלה יכולות להיגרם מהתפלגות המסה בתוך שבתאי, למשל קיום ליבה; מתנועת הרוחות באטמוספרה של כוכב הלכת, או מהמשיכה של מערכת הטבעות המקיפה אותו. כל אחת משלוש הקבוצות בצוות המחקר התמקדה בהשפעה של אחת התופעות, והממצאים מספקים תובנות מעניינות על שבתאי.

הצוות הישראלי במחקר כולל את פרופ' יוחאי כספי ושותפו ד"ר אלי גלנטי מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת במכון ויצמן למדע. הם התמקדו בחקר הרוחות באטמוספרה של שבתאי, בשיטה דומה לזו שבה השתמשו לפני כשנה לקביעת עומק האטמוספרה של כוכב הלכת צדק, על פי מדידות של החללית ג'ונו.

השיטה מבוססת על מדד בשם הרמוניות כבידתיות. זה כלי פיזיקלי המאפשר לבחון עד כמה גוף מסוים סוטה מצורה של כדור מושלם ואחיד, מבפנים ומבחוץ. חוקרים מחלקים את ההרמוניות האלה לשני סוגים עיקריים: הזוגיות, המסומנות J₂, J₄, J₆ וכן הלאה – משקפות את מידת הסטייה מצורה כדורית, בעוד האי-זוגיות J₃, J₅, J₇ וכו', משקפות חוסר סימטריה בין חלקים שונים של הכדור. במחקרים קודמים הראו כספי וגלנטי כי בכוכב לכת העשוי מגז, חוסר סימטריה נובע מתנועת הרוחות. בעומק שבו נפסקת התנועה הזו, וכל המסה מסתובבת כגוף אחד, אפשר לומר שמסתיימת האטמוספרה. במחקר הקודם הם ראו כי עומק האטמוספרה של צדק הוא כ-3000 קילומטר מתחת לגובה העננים – כארבעה אחוזים מרדיוס כוכב הלכת.

במקרה של שבתאי החישובים היו מורכבים יותר מאשר בצדק, בין השאר בגלל אופן ההתפלגות של הרוחות, החזקות הרבה יותר באזור קו המשווה, ובשל קיומה של מערכת הטבעות. בסופו של דבר הצליחו החוקרים לקבוע כי עומק הרוחות בשבתאי הוא כ-9,000 קילומטרים – כלומר בערך 15 אחוז מהרדיוס של כוכב הלכת.

ההרמוניות השונות משקפות סוגים של סטיות מכדור מושלם (במקרה זה מודגמות על צדק) | איורים: James Tuttle Keane, Caltech

רוחות ומגנטיות

ממצא מפתיע עוד יותר עוסק בקשר בין עובי האטמוספרה לשדה המגנטי של כוכבי הלכת האלה. בעומק מסוים לחץ הגז בכוכב הלכת כה גבוה, עד שהוא מיינן את האטומים – כלומר מצמיד את גרעיניהם וגורם להם לפלוט אלקטרונים. התנועה הסיבובית של המטען החשמלי פועלת כמו דינמו ויוצרת שדה מגנטי חזק המאפיין כוכבי לכת גזיים. במחקר על צדק החוקרים שמו לב כי גבול האטמוספרה הוא פחות או יותר אותו גבול היוצר את השדה המגנטי, כפי שחושב על פי מודלים של צפיפות הגז. כשבדקו את הנתונים לגבי שבתאי, גילו שגם אצלו עומק האטמוספרה תואם את הגבול המחושב של הפעילות המגנטית.

"הלחץ בעומק של 3,000 קילומטר בתוך צדק הוא בערך 100,000 אטמוספרות, וזה דומה ללחץ בעומק 9,000 קילומטר בתוך שבתאי", מסביר גלנטי. "הממצאים הדומים משני כוכבי הלכת מאשרים ככל הנראה את תקפותן של שיטות החישוב שפיתחנו". המחקר על עומק האטמוספרה של שבתאי נעשה בין השאר במימון סוכנות החלל הישראלית במשרד המדע, וסקירה נרחבת יותר של הממצאים מתפרסמת במאמר נפרד בכתב העת Geophysical Research Letters.

האם הממצאים האלה מאפשרים להסיק מסקנות לגבי המבנה הפנימי של כוכבי לכת נוספים? במערכת השמש שלנו שבתאי וצדק הם ענקי הגזים היחידים (גם אורנוס ונפטון הם ענקי גזים, אך מכילים גם קרח מוצק), אבל יש עוד כוכבי לכת רבים כאלה במערכות שמש אחרות. "ממדגם של שני כוכבי לכת עוד קצת מוקדם להסיק שזה מודל שמתאים לכולם", מסכם כספי, "אבל ההתאמה בין הממצאים על צדק לאלו של שבתאי בהחלט מעודדת לגבי הבנת אטמוספרות של ענקי גז אחרים ותפקיד השדה המגנטי בהגבלת עומק הזורם".

קשר הדוק בין השדה המגנטי לעומק הרוחות בכוכבי הלכת הגזיים. כספי (מימין) וגלנטי | צילום: איתי בלסון, מכון ויצמן למדע

הטבעות הצעירות

קבוצת חוקרים נוספת, בראשות בורקהארד מיליצר (Militzer) מאוניברסיטת ברקלי, השתמשה בנתוני הכבידה כדי לנסות לקבוע אם לשבתאי יש ליבה מוצקה. החוקרים הגיעו למסקנה כי יש לכוכב הלכת ליבה, שהמסה שלה היא 18-15 מסות כדור הארץ (19-16 אחוז מהמסה של שבתאי עצמו), והיא מכילה את היסודות הכבדים מהליום, אבל לא הצליחו לקבוע אם היא אכן מוצקה.

הקבוצה השלישית, בראשות פיליפ ניקולסון (Nicholson) מאוניברסיטת קורנל, השתמשה במדידות הכבידה כדי לנסות ולחשב את גיל הטבעות של שבתאי, באמצעות מדידת המסה שלהן. הטבעות עשויות מקרח, אך עם השנים הן צוברות שכבת אבק בקצב אחיד פחות או יותר. החוקרים ידעו כי מסת האבק היא כאחוז אחד ממסת הטבעות הכוללת, אך לא ידעו את המסה עצמה. השלמת הנתון הזה גילתה להם את מסת האבק על הטבעות, ואם קצב הצטברותו ידוע, זה מאפשר לחשב פחות או יותר מתי הוא התחיל להצטבר – כלומר, מתי נוצרו הטבעות.

על פי מדידות הכבידה קבעו החוקרים כי מסת הטבעות היא בערך 41 אחוז מהמסה של הירח מימס (או כ-15,000 טריליוני טונות) – וחישבו כי גיל הטבעות הוא בין 10 מיליון ל-100 מיליון שנים. הממצא הזה עולה בקנה אחד עם מחקרים קודמים, שהעריכו את גיל הטבעות בשיטות אחרות. החוקרים עדיין אינם יודעים בדיוק כיצד נוצרו הטבעות, אם זה היה אירוע הדרגתי כמו התפוררות איטית של שביט שנלכד בכבידה של שבתאי, או אירוע מהיר יותר, למשל התנגשות בין שני גופים ששבריהם יצרו את הטבעות. אם זה המצב, ייתכן שגיל הטבעות יהיה באזור הצעיר יותר של הטווח המוצע, כך שאפילו הדינוזאורים שנכחדו מעל פני כדור הארץ לפני 65 מיליון שנים, אולי הספיקו להתבונן לשמיים ולראות את שבתאי עדיין בלי הטבעות שלו.