האם נפתרה תעלומת היווצרות טבעות שבתאי?

צוות חוקרים הציג מודל חדש באשר למקורן של טבעות שבתאי על בסיס תוצאות של סימולציות מחשב. תוצאות הסימולציות מכסות גם את הטבעות של כוכבי לכת ענקיים אחרים ומסבירות את ההבדלים בין צורת הטבעות של שבתאי ושל אורון-אורנוס.

צוות חוקרים הציג מודל חדש באשר למקורן של טבעות שבתאי על בסיס תוצאות של סימולציות מחשב. תוצאות הסימולציות מכסות גם את הטבעות של כוכבי לכת ענקיים אחרים ומסבירות את ההבדלים בין צורת הטבעות של שבתאי ואורון-אורנוס. הממצאים פורסמו ב-6 באוקטובר בגרסה המקוונת של “איקרוס”.

המחבר הראשי של המאמר הוא היודו ריוקי אוניברסיטת קובי ביפן, ואת עמיתיו סטיבואן שארנוז מאוניברסיטת פריז דידרו, פרופ’ אוטסוקי קייג’י מאוניברסיטת קובי ופרופ’ גנדה הידנורי מהמכון הטכנולוגי של טוקיו.

לכוכבי הלכת הענקיים במערכת השמש שלנו יש מערכות טבעות מאוד מגוונת. תצפיות מראות כי הטבעות של שבתאי מורכבות יותר מ -95% חלקיקים קפואים, בעוד הטבעות של אורנוס ונפטון הן כהות, וייתכן שהן מורכבות מסלע כבד יותר. מאז נצפו טבעות שבתאי לראשונה במאה ה-17, הורחב חקר הטבעות באמצעות טלסקופים קרקעיים, וחלליות שהקיפו את שבתאי שהאחרונה בהן עד כה היא קאסיני. עם זאת, מקורן של הטבעות עדיין לא היה ברור והמנגנונים שהובילו ליצירת מערכות הטבעות המגוונות עדיין לא היו ידועים.

המחקר הנוכחי התמקד בתקופה המכונה ההפגזה הכבדה המאוחרת שמעריכים כי התרחשה לפני כ-4 מיליארד שנים במערכת השמש שלנו, כאשר כוכבי הלכת הענקיים עברו הגירה מסלולית. המחקר מעריך כי כמה אלפי גופים בגודל של פלוטו (חמישית מגודל כדור הארץ) מסתובבים בחגורת קויפר במערכת השמש החיצונית מעבר לנפטון. ראשית חישבו החוקרים את הסיכויים לכך שעצמים גדולים אלה עברו קרוב מספיק לכוכבי הלכת הענקיים ונהרסו על ידי כוחות גאות ושפל שלהם במהלך ההפגזה הכבדה המאוחרת. תוצאות המחקר הראו כי שבתאי, אורנוס ונפטון חוו מפגשים קרובים עם עצמים שמיימיים גדולים אלה מספר פעמים.

חברי קבוצת המחקר השתמשו בסימולציות מחשב כדי לחקור הפרעה הנגרמת לעצמים אלה שבחגורת קויפר על ידי כוחות הגאות והשפל כשעברו בקרבת כוכב לכת הענקים. תוצאות הסימולציות מגוונות בהתאם לתנאי ההתחלה, כגון – מסלולם של העצמים הללו ומרחק ההתקרבות המינימאלי שלהם לכוכב הלכת. עם זאת הם גילו כי שברים רבים המהווים 0.1-10% הממסה הראשונית של העצמים הללו נלכדו במסלולים סביב כוכבי הלכת. המסה המשולבת של שברים אלה שנלכדו נמצאה מספיקה כדי להסביר את המסה של הטבעות הנוכחיות המקיפות את שבתאי ואורנוס. במילים אחרות, טבעות פלנטריות אלה נוצרו כאשר עצמים גדולים מספיק עברו קרוב מאוד לענקים והתפרקו.

החוקרים גם דימו את האבולוציה ארוכת הטווח של השברים שנלכדו באמצעות מחשבים במצפה האסטרונומי הלאומית של יפן. סימולציות אלה גילו כי שברים בעלי גודל התחלתי של כמה קילומטרים היו צפויים לעבור התנגשויות במהירות גבוהה ולהתפרק לחתיכות קטנות יותר ויותר. ההתנגשויות בין השברים צפויה גם לעגל את מסלולם ולהוביל להיווצרות הטבעות שאנו רואים כיום.

מודל זה יכול גם להסביר את הבדל הצפיפות בין הטבעות של שבתאי ואורנוס. לעומת שבתאי, לאורנוס (וגם לנפטון) יש צפיפות גבוהה יותר (הצפיפות הממוצעת של אורנוס היא 1.27 גרם לסמ”ק וזה של נפטון 1.64 גרם לסמ”ק, לעומת צפיפותו של שבתאי – 0.69 גרם לסמ”ק). משמעות הדבר היא כי במקרים של אורנוס ונפטון, העצמים יכולים לעבור קרוב לכוכב הלכת שם הם חווים כוחות גאות חזקים מאוד. לשבתאי לעומת זאת יש צפיפות נמוכה יותר ולכן יש לטבעות קוטר גדול יחסית משום שעצמים שיעברו קרוב יותר יתנגשו בכוכב הלכת. כתוצאה מכך, אם עצמים בחגורת קויפר הם בעלי מבנים שכבתיים כגון ליבה סלעית ומעטפת קפואה עוברים בקרבת אורנוס או נפטון, בנוסף למעטפת הקפואה, גם הליבה הסלעית תושמד, תצטרף לטבעות ותגרום לכך שהרכבן יהיה סלעי. עם זאת, אם הם עוברים על ידי שבתאי, רק המעטפת הקפואה תושמד, והרכב הטבעות יהיה קרח. זה מסביר את ההבדלים בין הטבעות.

ממצאים אלה ממחישים כי הטבעות של כוכבי הלכת הענקיים הן תוצרי לוואי טבעיים של תהליך היווצרות כוכבי לכת במערכת השמש שלנו. משמעות הדבר היא כי יש להניח שגם לכוכבי לכת ענקיים שהתגלו סביב כוכבים אחרים יש טבעות שנוצרו בתהליך דומה. גילוי מערכת טבעת סביב כוכב לכת דווח לאחרונה, תגליות נוספות של טבעות וירחים סביב כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש תקדמנה את הבנתנו אודות מוצאן.

הערות

(1) ההרעשה הכבדה המאוחרת: תקופה של חוסר יציבות מסלולית שאירעה במערכת השמש שלנו לפני כ-4 מיליארדים שנים. ההערכה היא שבמהלך תקופה זו היו גופים קטנים רבים שלא התגבשו לכוכבי לכת במסלול שמעבר לנפטון. כתוצאת מאינטראקציות הכבידה עם כוכבי לכת הענקיים, הפכו מסלולי הגופים הקטנים האלה להיות בלתי יציבים, ורבים מהם נכנסו למערכת השמש והתנגשו עם כוכבי הלכת שכבר נוצרו. ההערכה היא שרוב מכתשי הירח נוצרו בתקופה זו.
(2) עצמים בחגורת קויפר: מספר רב של גופים קטנים עשויים קרח וסלעים שקיימים מעבר למסלולו של נפטון.

למאמר המדעי
להודעה של החוקרים