לידתו של “איש השלג” בקצה מערכת השמש

מודל שפותח בפקולטה לפיזיקה בטכניון מסביר את מאפייניו הייחודיים של Arrokoth – עצם שצילמה הגשושית New Horizons ב-2006. למודל השלכות חשובות על הבנת השלבים הראשונים בהיווצרותם של כוכבי לכת

חוקרים בפקולטה לפיזיקה בטכניון ועמיתיהם בגרמניה פרסמו ב-Nature הסבר למאפייניו הייחודיים של “איש השלג”, העצם הרחוק ביותר במערכת שמופה וצולם מקרוב.

בראשית 2006 נשלחה הגשושית New Horizons כדי לצלם מקרוב לראשונה את פלוטו, כוכב הלכת היחיד במערכת השמש שעדיין לא מופה. המשימה: למפות את פלוטו וללמוד על תכונותיו ועל פני השטח שלו.

עוד באותה שנה קבע איגוד האסטרונומיה הבין-לאומי (IAU) כי פלוטו אינו כוכב לכת “אמיתי” אלא פלנטואיד, כוכב לכת ננסי, וכך צמצמה במחי יד את משפחת מערכת השמש מ-9 כוכבי לכת ל-8 בלבד. כל זה כמובן לא עצר את משימתה של New Horizons, שהגיעה לפלוטו כ-9 שנים לאחר שיגורה וסיפקה מידע ויזואלי ומדעי רב על פלוטו ועל ירחו כארון. משם המשיכה הגשושית הלאה אל שולי מערכת השמש. ב-27 בדצמבר 2017 כיבתה נאס”א את המערכות של New Horizons כדי לחסוך באנרגיה והדליקה אותן שוב כעבור חצי שנה.

המסע אל מעבר לפלוטו נועד לחקור את 2014 MU69 – עצם שמימי הנמצא כ-6 מיליארד קילומטרים מכדור הארץ בחגורת קויפר – חגורת אסטרואידים המכילה מספר עצום של אסטרואידים שגודלם נע בין מטרים ספורים ועד עצמים בגודל אלפי קילומטרים (פלוטו, לדוגמה). כאן, בניגוד לחגורת האסטרואידים הפנימית הנמצאת בין מסלוליהם של מאדים וצדק, הטמפרטורות נמוכות מאוד ולכן חלק מאותם עצמים עשויים מקרח.

MU69 התגלה ב-2014 על ידי טלסקופ החלל האבל, ובשל העניין הרב בו הוחלט שהוא יהיה היעד הבא של New Horizons אחרי פלוטו. וכך, בתאריך  1 בינואר 2019, חלפה הגשושית על פני MU69 וצילמה אותו ממרחק מינימלי של 3,500 קילומטר.

בשל ריחוקו מכדור הארץ – כ-6 מיליארד קילומטרים מאיתנו – הדביקו אנשי נאס”א לגוף הנידח את השם אוּלְטִימָה ת’וּלֶה (“קצה העולם” בתרגום חופשי מלטינית, בגלל מקומו בקצה מערכת השמש). בהמשך שונה שמו ל-Arrokoth, מילה שפירושה “שמיים” או “ענן” בשפה האינדיאנית הנכחדת פאוואטן.

צילומיה של New Horizons, ומידע נוסף שהגיע מהאבל וממקורות אחרים, סיפקו לקהילה המדעית מידע רב על העצם המרוחק, שאורכו כ-30 קילומטר והוא מורכב משתי “אונות” פחוסות שונות בגודלן המחוברות זו לזו במעין צוואר דק. זה מקורו של כינוי נוסף שקיבל העצם הדו-אונתי – “איש השלג”.

אף שכבר בשלבים מוקדמים הוסכם כי Arrokoth נוצר בעקבות התנגשות שני עצמים שונים – שתי האונות המרכיבות אותו – המודלים שהוצעו עד כה אינם מסבירים את תכונותיו המרכזיות של “איש השלג”, ובפרט את מהירות הסיבוב האיטית שלו סביב עצמו, ואת זווית הנטייה הגבוהה שלו. כעת, במאמר בכתב העת הנודע Nature, מציגים חוקרי הטכניון מודל מבוסס סימולציות התואם את אותן תכונות.

את המחקר הובילו הדוקטורנט יבגני גרישין, הפוסט-דוקטורנט ד”ר אורי מלמוד והמנחה שלהם פרופ’ חגי פרץ, עם קבוצת מחקר גרמנית. לדברי גרישין, “התנגשות פשוטה בין שני עצמים מקריים בחגורת קויפר הייתה מנפצת אותם כיוון שהם עשויים בעיקר מקרח רך, וההתנגשות הייתה מתרחשת במהירות גבוהה מדי. לכן הנחנו שלהתנגשות קדמה תקופה ארוכה שבה שני הגופים הקיפו זה את זה במסלול מעגלי, בדומה לירח שמקיף את כדור הארץ. בתקופה זו התקרבו הגופים זה אל זה בהדרגה, וכשפגעו זה בזה בסופו של דבר זו לא הייתה התנגשות קטלנית אלא מעין שפשוף.”

לאותה מערכת דו-גופית הוסיפו חוקרי הטכניון עצם שלישי, השמש, וכך הפכו אותו למערכת משולשת. כעת נותרה בעיה נוספת – אם שני חלקי Arrokoth נעו במעגל זה סביב זה, קשה להסביר את נתוני התנועה הנוכחיים של העצם המשותף, לרבות מהירות סיבובו הנמוכה וזווית הנטייה הגדולה שלו (ההטיה יחסית למישור הסיבוב סביב השמש), העומדת על 98 מעלות – כך שהוא כמעט שוכב על הצד ביחס למסלול שלו. “הסימולציות שלנו פתרו גם את הבעיה הזאת,” אומר פרופ’ פרץ. “הראינו שבתחילת הדרך נעו שני הגופים במסלול מעגלי ובמרחק רב זה מזה, הרי שעם הזמן המסלול נעשה יותר ויותר אליפטי בגלל ההפרעות של כוחות המשיכה בין שלושת הגופים, ובנקודות מסוימות שתי האונות של Arrokoth מתקרבות מאוד. סיטואציה כזו צפויה להוביל להתנגשות במהירות איטית, שלא תנפץ את העצמים המתנגשים אלא תגרום להם להידבק זה לזה, ויותר מכך – לגרום לכך שמהירות הסיבוב הסופי של העצם המשותף תהיה נמוכה וזווית הנטייה גבוהה.”

“הרצנו הדמיות רבות של תנועת הגופים זה סביב זה וגם של ההתנגשות עצמה,” מסכם ד”ר מלמוד, “וגילינו שאכן הדינמיקה הזאת יכולה ליצור את העצם המשותף, ‘איש השלג’.”

חוקרי הטכניון מתייחסים במאמר גם לסיכוי של שני גופים במודל כזה להתנגש זה בזה – כ-15%. לדברי פרופ’ פרץ, “עד כה לא הוצע מודל שמסביר את התצורה הייחודית של ההתנגשות. המודל שלנו מסביר לא רק את הנתונים המיוחדים של המערכת המאוחדת כיום אלא גם את הסבירות הגבוהה להתנגשות. הצלחנו להסביר, באופן שמנוגד לאינטואיציה הבסיסית, כיצד סיכויי ההתנגשות גדלים דווקא ככל שהמרחק ההתחלתי בין שתי האונות גדול יותר. יתר על כן, המודל הזה מנבא כי עצמים רבים נוספים בחגורת קויפר, ואולי אפילו המערכת של פלוטו וירחו ‘כארון’, התפתחו באופן דומה, וכי עצמים רבים כאלה עשויים להתגלות במקומות אחרים במערכת השמש. לתהליכים אלו יש משמעות חשובה לא רק להבנת הדינמיקה של הגופים, היווצרותם והבנת מרכיביהם אלא גם להבנת התנאים שהתקיימו בשלבי היצירה הראשונים של מערכת השמש כולה ושל התפתחותה בהמשך. ”

למאמר לחצו כאן

פרופ' חגי פרץ. צילום: ניצן זוהר

יבגני גרישין. צילום: ארז צימרמן

ד"ר אורי מלמוד

צילום מקרוב של Arrokoth על ידי New Horizons.. אפשר לראות ש"איש השלג" מורכב משני עצמים נפרדים המחוברים בצוואר דק. התנגשות מקרית של שני עצמים כאלה הייתה מנפצת אותם ולא מחברת אותם; המחקר החדש מסביר כיצד נוצר החיבור האמור. הצילום באדיבות נאס"א

תמונות המציגות את תוצאות ההתנגשות בהדמיה שערכה קבוצת המחקר בטכניון. התנגשות במהירות גבוהה מנפצת לחלוטין את העצמים, אך המודלים שפיתחו חוקרי הטכניון מציגים התנגשות במהירות נמוכה, המסבירה את היווצרותם של עצמים מסוגו של "איש השלג".