פעם ב-14 שנים: למה הטבעות של שבתאי נעלמות?

בשבוע הקרוב, סביב 23 במרץ, הטבעות של כוכב שבתאי ייעלמו. כך לפחות מנקודת מבטו של אדם הנמצא בכדור הארץ. לא מדובר בשינוי פיזי בטבעות, אבל השילוב בין זווית הנטייה של שבתאי ותנועות שבתאי וכדור הארץ סביב השמש יובילו לכך שנראה אותן מנקודת מבט אופקית לגמרי, כמו להביט בממד הדק ביותר של דף נייר. אם נתבונן על שבתאי נראה רק פס כמעט בלתי מורגש, אלא אם כן אתם מביטים בו מבעד לטלסקופ עוצמתי מאוד.

● הרופאה שפורצת דרך בחקר הפוריות: "לא יודעים כלום על מערכת הרבייה הנשית"
● בפחות מ-10 מיליון שקל: הנערים שמשגרים לוויינים לחלל

בסוף הטבעות של שבתאי ייעלמו לנצח

התופעה הזאת מתרחשת אחת ל־14 שנה בערך, אומר פרופ' יוחאי כספי, ראש המרכז למדעים פלנטריים במכון ויצמן, החוקר את האטמוספירה של שבתאי. "הטבעות של שבתאי הן דקות מאוד", הוא מסביר. "עוביין הוא כמה עשרות מטרים עד כמה מאות מטרים בסך הכול". זאת לעומת הרדיוס שלהן, שעומד על כמה מאות אלפי קילומטרים.

"שבתאי נוטה הצדה ב־26 מעלות, כפי שכדור הארץ נוטה הצידה ב־23 מעלות. הוא מסתובב סביב עצמו מהר מאוד, אך סביב השמש רק כל 29 שנות ארץ. כך נוצרות 'עונות' שונות בנראות של שבתאי כלפי כדור הארץ. וכל 14.5 שנים בערך, טבעות שבתאי נעלמות".

מסיבה זו, בשנתיים הקרובות המראה של שבתאי יהיה שונה מזה שיש לנו בראש כשאנחנו חושבים על כוכב הלכת המיוחד הזה, אך הטבעות צפויות להתגלות לנו שוב במלוא הדרן בעוד כמה שנים. ב־2032 המיקום ההדדי של שבתאי וכדור הארץ יעניקו לנו את מראה הטבעות המושלם.

מתישהו בעתיד הטבעות עלולות להיעלם לנצח. זה לא יקרה בזמן הקרוב, אלא רק בעוד 100 מיליון שנה פחות או יותר. כבר היום הן נמשכות בהדרגה אל תוך כוכב הלכת בגלל הגרביטציה שלו, ויום אחד הן צפויות לקרוס לגמרי לתוכו. זאת, אלא אם כן ייקלע לאזור "משלוח" חדש של חומר הגלם שממנו הטבעות עשויות והוא יסתדר שוב בטבעות המוכרת.

הטבעות אינן תופעה ייחודית לשבתאי. למעשה, ישנן טבעות דקות ובקושי נראות גם סביב צדק, ויש תיאוריה שלפיה גם את מאדים סבבו בעבר טבעות, אבל אנחנו הגענו מאוחר מדי להצגה ופספסנו אותן. יכול להיות ששוב יהיו לו טבעות, אם הירח שלו פובוס יתפרק והחלקיקים הסלעיים יסתדרו כטבעות סביב מאדים.

מה ראו דינוזאורים כשהסתכלו לשמים

ממה בכלל עשויות הטבעות של שבתאי, והאם אפשר לנחות על כוכב הלכת עצמו? חוקרים רק מתחילים לפענח את המסתורין של שבתאי.

נניח שהחללית שלנו מתקרבת לכוכב הלכת שבתאי. אנחנו נכנסים לרדיוס של הטבעות, שעשויות למעשה מחלקיקי אבן קפואים וקרח.

הטבעות של שבתאי צעירות מהכוכב עצמו. "יש ויכוח על הגיל שלהן, אבל ההערכה שעשינו לפני כמה שנים, לפי חישוב של המסה שהן, הייתה שהן צעירות מ־100 מיליון שנה", אומר כספי. האנקדוטה בהקשר הזה היא שאם הדינוזאורים היו מביטים אל השמים, הם היו רואים את שבתאי בלי טבעות.

 פרופ' יוחאי כספי / צילום: תמונה פרטית

ד"ר אלונה וזאן, חוקרת במרכז המחקר לאסטרופיזיקה באוניברסיטה הפתוחה, מוסיפה כי את גיל הטבעות מדדו גם לפי הבהירות שלהן. "לו הן היו בנות הגיל של שבתאי, הן כבר היו אמורות לספוח אליהן אבק קוסמי ולהתכהות יותר. עם זאת, לאחרונה יצא מאמר שטען כי טעינו בחישוב הקצב שבו הטבעות סופחות אבק קוסמי. הן בעצם עושות זאת לאט מכפי שחשבנו, ולכן אף שהן בהירות, הן בעצם לא כל כך צעירות".

מדוע הן פחוסות כל כך?
וזאן: "אם תיקחי דלי מים ותסובבי אותו, המים יידחפו לצדי הדלי. זה הכוח הצנטריפוגלי. זהו גם הכוח הפועל על הטבעות של שבתאי. אם היה לך כדור שעליו נצנצים והיית מסובבת אותו, הכוח הצנטריפוגלי היה מעיף את הנצנצים החוצה. אבל אם הכדור והנצנצים היו בעלי כוח משיכה כלשהו, היה נוצר איזון בין הכוח שדוחף החוצה והכוח המושך פנימה, והנצנצים היו מתיישרים למישור סביב קו המשווה של הכדור, כמו הטבעות של שבתאי. שם זה קורה בגלל כוח המשיכה של שבתאי".

 ד''ר אלונה וזאן / צילום: תמונה פרטית

הוריקנים גדולים וגשם של הליום

אם נעבור את הטבעות ונתקרב לכוכב הלכת עצמו, נמצא את עצמנו בהדרגה מוקפים בגזי מימן והליום, שבתוכם צפים מדי פעם עננים מעובים של אמוניה. זאת האטמוספירה של שבתאי. רוחות עזות, המכונות זרמי סילון ונעות במהירות של מאות מטרים לשנייה או אלפי קמ"ש, יסיטו אותנו מהמסלול. "בעיקר באזור קו המשווה של שבתאי, הרוחות נעות מהר יותר מסיבוב כוכב הלכת עצמו", אומר כספי.

רוחות בלי אוויר?
"מה זה אוויר בעצם? תערובת ספציפית של גזים שנמצאת באטמוספירה של כדור הארץ. הרבה חנקן, חמצן ומעט גזים נוספים. גם על פני שבתאי יש גזים, בעיקר מימן והליום, והתנועה שלהם היא הרוח. היא נוצרת משום שהסיבוב של כוכב הלכת יחד עם החימום הפנימי וכוח המשיכה שלו משפיעים באופן שונה על גזים שנמצאים בקווי רוחב שונים ובמרחק שונה מהליבה, ויוצרים מעין תנועה של גזירה. חלק מהגז נע עם הסיבוב וחלק נגדו. אנחנו יכולים לאמוד את כיוון ומהירות הרוחות הללו לפי תנועת ענני האמוניה".

המידע הזה התקבל בעיקר ממשימת קאסיני, שחגה סביב שבתאי בשנים 2004־2014. מדענים מנתחים את המידע שהתקבל מהמשימה הזאת ולומדים ממנה דברים חדשים עד היום.

"בשנים האחרונות, באמצעות שיטה שפיתחנו במכון ויצמן, המשתמשת במדידות כוח המשיכה של שבתאי על החללית, אנחנו מבינים שהאזור שבו מתרחשות הרוחות, כלומר האטמוספירה של שבתאי לצורך העניין, הוא עמוק מאוד, כ־10,000 ק"מ מתוך קוטר של 60 אלף ק"מ בכוכב הלכת כולו. צריך לעבור הרבה יותר אטמוספירה עם רוחות כדי להגיע לליבת הכוכב (שגם היא גזית) בהשוואה למה שצריך לעבור בכדור הארץ", אומר כספי. "האטמוספירה היא למעשה 15% ממסת כוכב הלכת, בניגוד למשל לכדור הארץ, שבו האטמוספירה היא כמיליונית ממסת הכוכב".

"מהירות הסיבוב של שבתאי סביב עצמו לא הייתה ידועה עד השנים האחרונות", הוא מוסיף. משימת קאסיני היא שאפשרה לנו לגלות שמהירות הסיבוב היא 10 שעות ו־33 דקות. "אנחנו לא יכולים לראות את הכוכב מסתובב, כי הוא כוכב גזי ואין איזו נקודה שאפשר לסמן אותה ואז לראות אותה נעלמת ומופיעה שוב.

"החישוב באיזו מהירות מסתובב שבתאי היה מחקר שלנו במכון ויצמן, יחד עם חוקרים מאוניברסיטת תל אביב לפני כעשור. מדדנו באופן מדויק מאוד את שדה הכבידה של שבתאי, וגם את האופן שבו מהירות הסיבוב גורמת לאיזו מתיחה של הצורה הכדורית של כוכב הלכת, בגלל הכוח הצנטריפוגלי. הוא יהיה כדור לא מושלם, אלא קצת אליפטי. גם לכדור הארץ זה קורה. ועל פי ניתוח העיוות הזה ביחס לכוח הכבידה, אנחנו יכולים להבין מהו הכוח הצנטריפוגלי שמופעל על שבתאי ולפיכך גם מה מהירות הסיבוב. הצלחנו לדייק את החישוב עד טווח של דקה וחצי.

"מחקר נוסף, שנערך לפני כמה שנים, אישש את החישוב שלנו על ידי מדידת הגלים בטבעות של שבתאי. הטבעות הן מאוד דקות ורגישות, וכאשר איזו פעילות על גבי שבתאי גורמת לאיזושהי דחיפה של אחת מאבני הטבעות הקרובה לכוכב, התנועה הזאת יכולה להשפיע על האבן הבאה ועל הבאה אחריה, וכך נוצר גל. המהירות והכיוון שבהם מתפשטים הגלים הללו נותנים לנו מידע על מהירות הסיבוב. הטבעות הן למעשה ססמוגרף רגיש העוטף את כוכב הלכת ונותן לנו מידע על מה שקורה בתוכו".

מתברר שבכוכב שבתאי יש גם הוריקנים. "החום הפנימי בכוכב גבוה יותר מהחום שמגיע מהשמש", אומר כספי. "בכך הוא שונה מכדור הארץ, שבו רוב החום מגיע מהשמש. זה בעצם חלק ממה שגורם למזג האוויר הסוער בשבתאי, פליטה של חום, סערות ומערבולות". כתוצאה מכך ישנם בשני הקטבים של שבתאי גם הוריקנים תמידיים וענקיים, בהיקף של 3,000 ק"מ.

עדיין בעסקי מזג אוויר, בשבתאי יורד גשם, אבל לא של מים. הוא גם לא יורד מענני האמוניה. "ככל שנכנסים עמוק יותר לתוך המעטפת הגזית, קרוב יותר לליבת הכוכב, הלחץ גורם להליום להתעבות ובסופו של דבר הוא יורד לכיוון ליבת שבתאי בצורה של גשם", אומר כספי. "זה קורה בעומק של כ־10,000 ק"מ מתחת לשכבת העננים הנראית של שבתאי".

וזאן מוסיפה: "כאשר טיפות ההליום יורדות, הן משחררות אנרגיה גרביטציונית כמו כל דבר שנופל. כשהבנו את זה, פתרנו תעלומה ותיקה: מדוע שבתאי בהיר יותר מכפי שהוא היה אמור להיות לפי הרכב החומרים שבו".

מעבר הדרגתי מגזים לסלעים, מתכות ומים

בעוד שכספי מתמחה בעיקר באטמוספירה של שבתאי, וזאן חוקרת את הליבה של הכוכב. "אנחנו יודעים שבעוד שכדור הארץ מורכב ברובו מחומר סלעי, ואילו צדק מורכב ברובו מגזים, מימן והליום, הרי שבשבתאי זה בערך חצי־חצי. באזור האטמוספירה נמצא בעיקר את הגזים. בליבה, נמצא חומרים מתכתיים, סלעיים או מים. אנחנו לא יודעים בוודאות אם יש מעבר חד, כמו בכדור הארץ, שבו ברור מאוד איפה נגמרת האטמוספירה הגזית ומתחיל הכדור עצמו, או שיש גרדיאנט, כלומר בהדרגה אנחנו רואים פחות חומר גזי ויותר חומרים אחרים, אבל מסתמן שיש גרדיאנט, כלומר פחות ופחות מימן והליום ויותר מהסלעים, המתכות והמים.

"כדי להבין ממה מורכבת ליבת הכוכב ובאיזה מצב צבירה היא נמצאת, אנחנו מודדים תנועה של חומר בתוך הטבעות, שבעצם יכולה לתת לנו אינדיקציה לכוח המשיכה שמופעל עליהן, ולפיכך להתפלגות המאסה בתוך ליבת שבתאי. מודל חדש, מ־2023, עזר לנו מאוד לקדם את ההבנה הזאת, והמסקנה הייתה שכנראה באמת מדובר ברצף, כלומר כמות הגזים יורדת בהדרגה. אבל קשה לדעת מה באמת קורה שם כי אנחנו לא יודעים הכול על התנהגות של חומרים בכאלה לחצים גבוהים".

ירח עם החומרים שמרכיבים חיים

לפני כ־20 שנה, התברר שבאחד הירחים של שבתאי, אנסלדוס, יש אוקיאנוס תת־קרקעי. "לאנסלדוס יש ליבה חמה, אך פני השטח קפואים", אומר כספי. זאת בשל המרחק שלו מהשמש והעובדה שהוא לבן בוהק, ומחזיר לשמש את רוב האנרגיה שלה. בין הליבה החמה לפני השטח הקפואים, נמצא אוקיינוס תת־קרקעי של מים אמיתיים, ממש H2O. בשל כוח המשיכה של שבתאי, המים פורצים כגייזרים דרך החרכים בפני הירח הקפואים, בקצב של כ־400 מטר לשנייה.

 אנסלדוס, אחד מ־82 ירחים של שבתאי שהתגלו. נמצאו בו מים ומרכיבים נוספים הדרושים לחיים / צילום: ap, NASA

לא רק מים יש באנסלדוס. למעשה, אפשר למצוא בו את רוב המרכיבים הדרושים לחיים. לצד קיטור של מים, הגייזרים פולטים פחמן דו חמצני, מתאן ואולי קצת אמוניה. בחומר שנפלט מהגייזרים נמצאים ננו־חלקיקים של סיליקה, תרכובת שנוצרת כאשר מים ואבן נפגשים בטמפרטורות של 90 מעלות צלזיוס ויותר. מכאן אנחנו לומדים מה קורה בתוך הים התת־קרקעי.

"שבתאי וירחיו רחוקים מאוד מהשמש, אך אנחנו יודעים כי גם בעומק האוקיינוסים שלנו יש חיים, שמקבלים אנרגיה מהחום של ליבת כדור הארץ ולא ברור שהם תלויים בשמש", אומר כספי. האם יכול להיות שחיים כאלה קיימים גם באנסלדוס?

משימת קאסיני הגיעה למרחק 25 ק"מ מאנסלדוס וצילמה את הירח, שיש לו טבעות משלו. אנסלדוס מושפע גם מירח אחר של שבתאי, ששמו דיון. כוח הכבידה שלו משפיע על המסלול של אנסלדוס סביב שבתאי והופך אותו לאליפטי יותר מאשר מעגלי. לכן אנסלדוס לפעמים רחוק יותר משבתאי ולפעמים קרוב יותר אליו, באופן שיוצר עונות של התחממות והתקררות.

הוא ירח קטן, בקוטר של כ־500 ק"מ, כך שזה לא הבית הבא שאליו תברח האנושות, אלא אם לא יישאר הרבה ממנה, אבל הוא בהחלט נראה כמקום טוב להתחיל ממנו. "אם נאס"א היו במצב רגיל, אני מאמין שבשנים הקרובות הם היו מאשרים משימה לאנסלדוס. אבל כרגע אין לדעת", אומר כספי.

כרגע לא מתכננים בנאס"א משימה נוספת לכוכב שבתאי עצמו. "ישנם רעיונות, אך לא שום דבר קונקרטי", מבהיר כספי. "אנחנו, במכון ויצמן, חושבים על משימה ישראלית לשם, בשותפות עם התעשייה האווירית ועם סוכנות החלל הישראלית. יש לנו תוכניות למשימה כזאת בסוף העשור הבא. אך הדרך לשם עוד ארוכה, תרתי משמע".