אשראי תמונה: נאס"א
אם אסטרונומים חייזרים סביב כוכב רחוק חקרו את השמש הצעירה לפני ארבע וחצי מיליארד שנה, האם הם היו יכולים לראות סימנים של כדור הארץ שהוקם זה עתה והקיף את הכוכב הצהוב התמים הזה? התשובה היא כן, על פי סקוט קניון (מצפה הכוכבים האסטרופיסיקליים של סמיטסון) ובנג'מין ברומלי (אוניברסיטת יוטה). יתרה מזאת, מודל המחשבים שלהם אומר שאנחנו יכולים להשתמש באותם שלטים כדי לאתר מקומות שבהם נוצרים כיום כוכבי לכת בגודל כדור הארץ - עולמות צעירים שיום אחד עשויים לארח חיים משל עצמם.
המפתח לאיתור כדור הארץ היילוד, אומרים קניון וברומלי, הוא לחפש לא אחר הכוכב עצמו, אלא טבעת אבק המקיפה את הכוכב המהווה טביעת אצבע של היווצרות פלנטה יבשתית (סלעית).
"רוב הסיכויים שאם יש טבעת אבק, יש כדור הארץ", אומר קניון.
קשה למצוא כוכבי לכת טובים
מערכת השמש שלנו נוצרה מתוך דיסק מתערבל של גז ואבק, המכונה דיסק פרוט-פלנטרי, המקיף את השמש הצעירה. אותם חומרים נמצאים בכל הגלקסיה שלנו, כך שחוקי הפיזיקה צופים שמערכות כוכבים אחרות יהוו פלנטות באופן דומה.
למרות שכוכבי לכת עשויים להיות שכיחים, הם קשים לאיתור מכיוון שהם קלושים מדי וממוקמים קרוב מדי לכוכב בהיר בהרבה. לכן אסטרונומים מחפשים כוכבי לכת על ידי חיפוש אחר עדויות עקיפות לקיומם. במערכות פלנטאריות צעירות, ראיות עשויות להיות בדיסק עצמו, ובאופן בו כוכב הלכת משפיע על הדיסק המאובק ממנו הוא נוצר.
כוכבי לכת גדולים בגודל יופיטר הם בעלי כוח משיכה חזק. כוח המשיכה הזה משפיע מאוד על הדיסק המאובק. צדק בודד יכול לנקות פער בצורת טבעת בדיסק, לעוות את הדיסק או ליצור שטפי אבק מרוכזים שמשאירים תבנית בדיסק כמו מתעוררת מתוך סירה. נוכחותו של כוכב לכת ענק עשויה להסביר את התבנית הדומה להתעוררות שנראתה בדיסק סביב הכוכב Vega בן 350 מיליון שנה.
עולמות קטנים בגודל כדור הארץ, לעומת זאת, בעלי כוח משיכה חלש יותר. הם משפיעים על הדיסק בצורה חלשה יותר, ומשאירים סימנים עדינים יותר לנוכחותם. במקום לחפש עיוותים או ערות, קניון וברומלי ממליצים להסתכל כדי לראות כמה בהיר מערכת הכוכבים באורכי גל אינפרא אדום (IR) של אור. (אור אינפרא אדום, שאנו תופסים כחום, הוא אור באורך גל ארוך יותר ופחות אנרגיה מאשר אור גלוי.)
כוכבים עם דיסקים מאובקים הם בהירים יותר ב- IR מאשר כוכבים ללא דיסקים. ככל שמערכת כוכבים מכילה יותר אבק, היא בהירה יותר ב- IR. קניון וברומלי הראו כי אסטרונומים יכולים להשתמש בבהירות של IR לא רק כדי לאתר דיסק, אלא גם לדעת מתי נוצר כוכב לכת בגודל כדור הארץ בתוך אותו דיסק.
"היינו הראשונים לחשב את הרמות הצפויות של ייצור האבק והעודפות האינפרא אדום הנלוות אליו, והראשון שהמחיש כי היווצרות כדור הארץ יבשתית מייצרת כמויות ניכרות של אבק", אומר ברומלי.
בניית כוכבי לכת מהיסוד
התיאוריה הרווחת ביותר של היווצרות כוכבי לכת קוראת לבניית כוכבי לכת "מהיסוד." על פי תורת הקרישה, פיסות קטנות של חומר סלעי בדיסק הפרוט-פלנטרי מתנגשות זו בזו. במשך אלפי שנים גושים קטנים צומחים לגושים גדולים יותר וגדולים, כמו לבנות איש שלג קומץ שלג בכל פעם. בסופו של דבר הגושים הסלעיים גדלים עד כדי כך שהם הופכים לכוכבי לכת מן המניין.
קניון וברומלי מדגימים את תהליך היווצרות הכוכב בעזרת תוכנת מחשב מורכבת. הם "זרעים" דיסק דיסק-פלנטרי בגודל מיליארד פלנטימנטלים בגודל של 0.6 מיילים (1 קילומטר), כולם מקיפים כוכב מרכזי, ומקדמים את המערכת קדימה בזמן כדי לראות כיצד כוכבי לכת מתפתחים מאותם מרכיבים בסיסיים.
"עשינו את הסימולציה ריאלית ככל שיכולנו ועדיין השלים את החישובים בפרק זמן סביר", אומר ברומלי.
הם מצאו שתהליך היווצרות הכוכב יעיל להפליא. בתחילה, התנגשויות בין פלנטימלים מתרחשות במהירות נמוכה, ולכן עצמים מתנגשים נוטים להתמזג ולגדול. במרחק טיפוסי של כדור הארץ-שמש לוקח חפצים בקילומטר של כ -1,000 שנה רק לגדלים של 100 ק"מ (60 ק"מ). 10,000 שנים נוספות מייצרות פרוטופלנטים בקוטר של 600 קילומטר, הצומחים במשך 10,000 שנה נוספים והופכים לפרוטופלנטים בקוטר 1200 ק"מ. לפיכך, עצמים בגודל ירח יכולים להיווצר עד 20,000 שנה.
ככל שזמנים פלנטריים בתוך הדיסק הולכים וגדלים ומסיביים יותר, כך כוח המשיכה שלהם מתחזק. ברגע שמעט מהעצמים מגיעים לגודל של 600 מיילים, הם מתחילים "לעורר" את שאר החפצים הקטנים יותר. כוח הכבידה מביא את גושי הסלע הקטנים והגודל אסטרואידים למהירויות גבוהות וגבוהות יותר. הם נוסעים כל כך מהר שכשהם מתנגשים, הם לא מתמזגים - הם מתפצצים, מרסקים זה את זה באלימות. בעוד הפרוטופלאנטים הגדולים ממשיכים לצמוח, שאר הפלנטימלים הסלעיים טוחנים זה את זה לאבק.
"האבק נוצר ממש במקום בו כדור הארץ נוצר, באותו מרחק מכוכבו," אומר קניון. כתוצאה מכך, הטמפרטורה של האבק מצביעה על היכן מתהווה כדור הארץ. אבק במסלול דמוי ונוס יהיה חם יותר מאבק במסלול דמוי כדור הארץ, וייתן רמז למרחקו של כוכב הלכת התינוק מכוכבו.
גודל העצמים הגדולים בדיסק קובע את קצב ייצור האבק. כמות האבק מגיעה לשיא כאשר נוצרו פרוטופלנטים של 600 מייל.
"טלסקופ החלל שפיצר צריך להיות מסוגל לגלות פסגות אבק כאלה", אומר ברומלי.
נכון לעכשיו, מודל היווצרות הכוכבים הארציים של קניון וברומלי מכסה רק חלק מהמערכת הסולארית, ממסלולו של ונוס למרחק בערך באמצע הדרך בין כדור הארץ למאדים. בעתיד הם מתכננים להרחיב את המודל כך שהוא יקיף מסלול קרוב לשמש כמו מרקורי ומרוחק כמו מאדים.
הם גם עיצבו את היווצרות חגורת קויפר - אזור של חפצים קטנים, קרחיים וסלעיים מעבר למסלולו של נפטון. השלב ההגיוני הבא הוא מודל היווצרותם של ענקי גז כמו צדק ושבתאי.
"אנחנו מתחילים בשולי מערכת השמש ופועלים פנימה", אומר קניון בחיוך. "אנחנו גם מסתדרים בצורה המונית. כדור הארץ מסיבי פי אלף יותר מחפץ חגורת קויפר, ויופיטר מסיבי פי אלף מכדור הארץ. "
"המטרה הסופית שלנו היא לדגמן ולהבין את היווצרות מערכת השמש כולה שלנו." קניון מעריך כי מטרתם ניתנת להשגה תוך עשור, כאשר מהירות המחשבים ממשיכה לגדול, מה שמאפשר הדמיה של מערכת סולארית שלמה.
מחקר זה פורסם ב 20- בפברואר 2004, גיליון "The Astrophysical Journal Letters". מידע נוסף ואנימציות זמינים באופן מקוון באתר http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
שבסיסה בקיימברידג ', מסצ'וסטס, המרכז הרווארד-סמיתסוניאן לאסטרופיזיקה הוא שיתוף פעולה משותף בין המצפה האסטרופיזי של סמיתסוניאן לבין המצפה במכללת הרווארד. מדעני CfA, המאורגנים בשש חטיבות מחקר, בוחנים את מקורו, האבולוציה ואת גורלו הסופי של היקום.
המקור המקורי: פרסום חדשות CfA
