תגלית שהובילה חוקרת ממכון ויצמן למדע עשויה לסלול את הדרך לשיפור ההבנה איך מתפתחים כוכבי לכת חמים הרבה יותר מאלה שבמערכת השמש שלנו
כוכבים רבים מתקיימים בזוגות: שני גרמי שמיים שמקיפים זה את זה. מערכת כזאת, שאת תכונותיה המסקרנות גילתה לאחרונה מדענית ממכון ויצמן למדע, מעוררת עניין רב בשל תכונותיה המיוחדות. היא מורכבת מננס חום שחג סביב ננס לבן צעיר, והננס החום לוהט הרבה יותר מאשר דומיו בכל מערכת דומה. התכונות האלה עשויות לסלול את הדרך להבנה חדשה של מערכות פלנטריות שקשה מאוד לחקור.
כוכב כושל וכוכב מת
לפני פחות משלושים שנה גילו חוקרים לראשונה כוכב לכת במערכת שמש אחרת. התגלית הובילה לזיהוי קטגוריה חדשה של כוכבי לכת, שקודם לכן אסטרופיזיקאים חשבו שאינם יכולים להתקיים. כוכבי לכת כאלה, שמכונים "צדק לוהט" (Hot Jupiter), הם ענקי גזים, כמו צדק ושבתאי במערכת השמש שלנו, אבל קרובים הרבה יותר לשמש שלהם. עקב כך הם משלימים הקפה שלה בתוך כמה ימים שלנו, או אפילו כמה שעות, והטמפרטורה שלהם יכולה להגיע לאלפי מעלות.
כיום אנו מכירים כבר אלפי כוכבי לכת במערכות שמש אחרות, ובהם לא מעט כוכבי לכת של "צדק לוהט". אבל המאמצים להבין טוב יותר איך כוכבי לכת כאלה מתקיימים ואיך הם נוצרו, נתקלים בלא מעט קשיים טכניים שמגבילים את היכולת שלנו לחקור מערכות כאלה. עימם נמנים האור החזק של השמש שהם מקיפים, הקירבה שלהם אליה והבדל הגודל בין השמש לבין כוכב הלכת.
כדי להתגבר על הקושי לחקור כוכבי לכת כאלה חיפשו אסטרופיזיקאים מערכות אנלוגיות. כלומר מערכות עם מרכיבים דומים, שהתנהגותן יכולה ללמד אותנו על ההתפתחות והמאפיינים של כוכבי לכת כאלה, ובכל זאת קל יותר לחקור אותן. אחת האפשרויות היא מערכת של ננס חום שמקיף ננס לבן.
ננס חום הוא גרם שמיים שנמצא במעמד של בין כוכב לכת לכוכב. כלומר, זהו גוף בעל מסה גדולה מזו של כוכב לכת, אבל לא מספיק גדולה כדי להניע תהליך של היתוך מימן להליום – תנאי הכרחי להפיכתו לכוכב, או שמש. לכן ננסים חומים מכונים לפעמים "כוכב כושל" (Failed Star). יש ננסים חומים מסוימים כבדים מספיק כדי להתיך להליום אטומים של דאוטריום, שהוא איזוטופ כבד יותר מימן, אבל לא מימן "רגיל". אלה גופים דחוסים מאוד בהשוואה לכוכבי לכת, וגם אם הנפח שלהם דומה לזה של צדק למשל, המסה שלהם עשויה להיות גדולה הרבה יותר – למשל פי 20 או פי 50.
ננס לבן הוא סיפור אחר לגמרי. בעוד ננס חום הוא כוכב שלא הצליח להיוולד, ננס לבן הוא כוכב שכבר מת. כוכבים, כאמור, מייצרים חום ואור בתהליך של היתוך מימן להליום. כשנגמר להם המימן הם עוברים שורה של תהליכים אחרים, התלויים בהרכב ובעיקר במסה שלהם. כוכבים גדולים יסיימו את התהליך הזה בפיצוץ אדיר, סופרנובה, שבסיומה יהפכו לחור שחור או לכוכב נייטרונים. כוכבים צנועים יותר, כמו השמש שלנו, ילכו לעולמם בדרך שקטה יותר, ויסיימו את חייהם כננס לבן – גוף בעל מסה בסדר גודל של השמש שלנו, דחוסה בגודל דומה לזה של כדור הארץ, שהולך ומתקרר בהדרגה.
מערכת מעוררת עניין. טלסקופ VLT בצ'ילה, שהוא חלק ממערך הטלסקופי של מצפה הכוכבים האירופי הדרומי | צילום: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com), ESO
חם יותר מהשמש
ד"ר נעמה חלקון, כיום פוסט-דוקטורנטית בקבוצת המחקר של ד"ר שגיא בן עמי במחלקה לאסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע, הקדישה חלק ניכר מעבודת הדוקטורט שלה, בהנחיית פרופ' דן מעוז באוניברסיטת תל אביב, לחיפוש זוגות של ננסים לבנים. יחד הם ניתחו נתונים של סקר שמיים גדול (SPY) שנעשה בטלסקופ הגדול מאוד (VLT) של מצפה הכוכבים האירופי הדרומי (ESO) המוצב בצ'ילה. כדי לזהות זוגות כאלה, החוקרים צריכים לא רק להתבונן בצילומי הטלסקופ, אלא גם למדוד את מהירות תנועתם של הכוכבים, באמצעות ניתוח הרכב האור המגיע מהם. שינויים בקרינה שהם פולטים יכולים להעיד אם כוכבים מתרחקים מאיתנו, דבר שיגרום לאור שלהם להיות קצת יותר אדום, או שיוסט לכיוון הכחול אם הם מתקרבים אלינו. הניתוח הזה מאפשר לחוקרים לחשב את המסלולים של העצמים זה סביב זה, ולהבין את מאפייני המערכת.
כך מאפיינים את המערכת. מדידות המהירות של הננס הלבן (עיגולים כחולים) ושל הננס החום (מעוינים אדומים) במהלך מסלולו סביב הננס הלבן | מקור: ד"ר נעמה חלקון, מכון ויצמן למדע
"מתוך כמה מאות ננסים לבנים שחקרנו, סימנו כמה עשרות שעשויים להיות להם בני זוג, ביניהם המערכת הזאת, הרחוקה מאיתנו כ-1,400 שנות אור. כבר אז חשדנו שלא מדובר כאן בשני ננסים לבנים, אלא בננס חום שמקיף ננס לבן", אמרה חלקון לאתר מכון דוידסון. "בתקופת הפוסט-דוקטורט הגשתי עם חוקרים נוספים בקשה לזמן תצפית נוסף עליה, ומהנתונים החדשים שקיבלנו, מתצפיות שנעשו ב-2019 וב-2020, גילינו שאכן מדובר בננס לבן שסביבו חג ננס חום בעל מסה גדולה יחסית, בערך פי שמונים מכוכב הלכת צדק, שזה ממש הגבול בין ננס חום לכוכב".
המערכת הזאת מתאימה במיוחד לחקר התהליכים שמתרחשים בכוכבי לכת מסוג "צדק לוהט". "הננס החום במערכת הוא בערך ברדיוס של צדק. אנו מניחים שהאטמוספרה שלו דומה לזו של כוכבי לכת גזיים. הננס הלבן הוא בערך ברדיוס של כדור הארץ, והגודל שלהם מאפשר לעקוב אחר שניהם, אף על פי שהם קרובים מאוד זה לזה: המרחק ביניהם הוא רק 0.7 מרדיוס השמש שלנו, והננס החום מקיף את הננס הלבן בתוך 2.3 שעות בלבד", מסבירה חלקון. "גם הפרשי הטמפרטורה משחקים תפקיד, הננס הלבן הוא צעיר יחסית, והפך משמש לננס לבן לפני כמיליון שנה בלבד. לכן הוא נמצא רק בתחילת ההתקררות שלו והטמפרטורה על פניו היא כ-37 אלף מעלות.
"מאחר ששני הגופים קרובים, הם נמצאים במצב של 'נעילת גאות' – שבו משך ההקפה של הננס החום סביב הננס הלבן זהה לזמן הסיבוב העצמי של הננס החום. לכן הוא מפנה כל הזמן את אותו צד שלו אל הננס הלבן. זה גורם לכך שבצד החם שלו, הטמפרטורה על פניו היא כ-8,000 מעלות קלווין, ובצד הפחות חם רק כ-2,000 מעלות קלווין".
מערכת מתאימה במיוחד לחקר התהליכים שמתרחשים בכוכבי לכת מסוג "צדק לוהט". נעמה חלקון על רקע תמונה של צדק המקורי (והקריר) | צילום: איתי נבו
תובנות חדשות
עד כה זיהו חוקרים רק 12 זוגות של ננס חום המקיף ננס לבן במסלול קרוב. זהו הזוג ה-13 שהתגלה, והננס החום בו הוא הלוהט ביותר. בצד הפונה לננס הלבן הוא אפילו חם יותר מפני השמש שלנו. "זו הדוגמה הכי קיצונית למערכת כזאת, ולכן היא משמשת אנלוג מצוין למערכות שיש בהן כוכב לכת מסוג 'צדק לוהט', עם הרבה פוטנציאל לחקור אותה", מדגישה חלקון. "תצפיות נוספות, של טלסקופים קרקעיים כמו VLT או – אפילו עדיף – טלסקופ החלל ג'יימס וב, יאפשרו לעקוב אחר הננס החום לאורך מסלולו סביב הננס הלבן שלו, לראות איך הוא משתנה, ואפילו לחקור את האטמוספרה שלו באמצעות השוואה בין מדידות של הצד החם לצד הקר".
נוסף על שיפור ההבנה שלנו על מערכות פלנטריות, הגילוי של חלקון ועמיתיה עשוי לשפוך אור חדש גם על מערכות אחרות. "נוכל ללמוד מהזוג הזה על התפתחות מערכות זוגיות של שני כוכבים שחגים זה סביב זה, וגם להעמיק את הידע על ננסים חומים, ולחדד את הגדרות הגבול ביניהם לבין כוכבים. לשם כך נצטרך עוד זמן תצפית בטלסקופים הגדולים, ואני מקווה שנקבל אותו".
