מהו אורכה של היממה על כוכב הלכת שבתאי? לכאורה מדובר בשאלה בסיסית בחקר החלל: עבור מרבית כוכבי הלכת במערכת השמש שלנו, אורך היממה הוא נתון פיזיקלי ברור וחד משמעי. אך בשבתאי המצב שונה ואפילו היום, בשנת 2015, אין בידי המדענים מידע ודאי בנוגע לזמן הסיבוב העצמי – המהווה את אורך היממה – של כוכב לכת זה. כעת פיתח צוות מדענים צעירים מאוניברסיטת תל אביב וממכון וייצמן שיטת חישוב חדשה, המניבה סוף סוף פתרון מדויק לחידה זו, פיתרון שעתיד להיות מפתח לתעלומות נוספות במערכת השמש שלנו וברחבי הגלקסיה.
המחקר, שהתפרסם הערב בכתב העת היוקרתי Nature, בוצע על ידי ד"ר רוית חלד, חוקרת מדעים פלנטריים בחוג למדעי כדור הארץ של אוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם ד"ר אלי גלנטי וד"ר יוחאי כספי ממכון ויצמן למדע.
שבתאי: ענק גזים מכוסה עננים
"שבתאי הוא כוכב לכת מסוג ענק גזים – פלנטה העשויה כולה מגזים, בעיקר מימן והליום," מסבירה מובילת המחקר ד"ר חלד, המעורבת במשימות חלל של נאס"א ושל סוכנות החלל האירופית, ביניהן חלליות המחקר 'קאסיני' הסובבת במסלול סביב שבתאי, 'ג'ונו' שתגיע לכוכב הלכת צדק בשנת 2016, ו-JUICE שתחקור את צדק וירחיו בעשור הבא. "מכיוון ששבתאי עשוי גזים, אין לו פני שטח יציבים, ולכן לא ניתן לקבוע את זמן הסיבוב שלו בשיטה המקובלת עבור כוכבי לכת מוצקים, כלומר באמצעות בחירת סימן מזהה על פני השטח, ומדידת הזמן החולף עד שהוא נצפה שנית. בנוסף, ענקי הגזים מכוסים תמיד בשכבת עננים, המקשה עוד יותר את מלאכת המדידה."
לנוכח הקושי ניסו מדענים במהלך השנים להעריך את אורך היממה על שבתאי בשיטות שונות, שהתבססו על מגוון תופעות הניתנות לצפייה ולמדידה - כמו השדה המגנטי, קרינת גלי רדיו, עננים ורוחות. אך תוצאותיהם של מחקרים אלה לא היו אחידות. הפערים בין ההערכות השונות הגיעו עד ל-15 דקות - פרק זמן משמעותי במונחים של חקר מערכת השמש, והוויכוח המדעי נמשך.
Fig_4_Cassini_at_Saturn.jpg
כניסת החללית קאסיני למסלול סביב שבתאי | איור: NASA/JPL/Caltech
היווצרותם של ענקי הגזים
"ב-1977 שיגרה נאס"א את החללית וויאג'ר 2, שהביאה לנו מידע רב ערך על ארבעת כוכבי הלכת החיצוניים של מערכת השמש שלנו – שבתאי, צדק, אוראנוס ונפטון," מספרת ד"ר חלד. "על פי תצפיות וויאג'ר 2 נקבע כי זמן הסיבוב של שבתאי הוא 10 שעות, 39 דקות ו-22 שניות, ונתון זה נחשב לאמין במשך כ-30 שנה. כך היה עד שמדידות מהחללית קאסיני, שנכנסה למסלול סביב שבתאי ב-2004, הראו כי שיטת המדידה ששימשה את וויאג'ר 2 לא שיקפה למעשה את זמן הסיבוב של כוכב הלכת. כך חידת אורך היממה של שבתאי נפתחה מחדש."
ד"ר חלד ועמיתיה בחרו לתקוף את השאלה באמצעות שיטת חישוב המכונה 'אופטימיזציה סטטיסטית', שבעזרתה העריכו את מהירות הסיבוב של כוכב הלכת על ידי קישור לשדה הגרביטציה שלו, דחיסות החומר וצורתו הפחוסה. בדרך זו הם חישבו זמן סיבוב המתאים באופן מיטבי למידע הקיים: 10 שעות, 32 דקות ו-45 שניות. כדי לבחון את אמינות שיטתם, חישבו החוקרים באמצעותה גם את זמן הסיבוב של צדק, המוכר היטב למדע - והגיעו לתוצאה הנכונה.
"לממצאים שלנו יש משמעות נרחבת, הרבה מעבר למציאת פתרון לחידה מעניינת", מסבירה ד"ר חלד. "ראשית, זמן הסיבוב משפיע מאוד על הרוחות ועל מזג האוויר השורר בכוכב הלכת שבתאי. ואולי חשוב מכך: במחקר קודם מצאנו כי להפרש של 7 דקות בזמן הסיבוב יש השלכות מרחיקות לכת על חקר המבנה הפנימי של כוכב הלכת. מהמבנה הפנימי ניתן להסיק מסקנות חשובות על אופן היווצרותו של שבתאי בפרט, וענקי גזים בכלל, ועל התנאים ששררו סביבו בעת שנוצר, בערפילית היצירה של מערכת השמש. המידע הזה, בתורו, מוסיף נדבך חשוב לחקר ההתפתחות של מערכת השמש שלנו ומערכות אחרות במרחבי הגלקסיה."
במחקריהם הבאים יבקשו ד"ר חלד ושותפיה ליישם את הגישה החדשנית שפיתחו על ענקי גזים נוספים במערכת השמש – בעיקר אורנוס ונפטון, ואף להיעזר בה בחקר כוכבי לכת של שמשות אחרות.