למה ליופיטר יש ארבעה ירחים ענקיים

מה קורה?

מחקר חדש של חוקרים מיפן ומסין מנסה לפתור אחת השאלות הוותיקות בחקר כוכבי הלכת: מדוע ליופיטר יש כמה ירחים עצומים — ובהם גנימד, הגדול ביותר במערכת השמש — בעוד שסביב שבתאי בולט בעיקר טיטאן, הירח השני בגודלו במערכת השמש. אף ששני כוכבי הלכת הם ענקי גז, ושניהם מוקפים במערכות ירחים גדולות מאוד, המבנה של המערכות הללו שונה מאוד.

החוקרים בנו מודל ממוחשב שבחן כיצד נראו יופיטר ושבתאי בצעירותם, איך התפתח החום הפנימי שלהם, ומה היה עוצמת השדה המגנטי של כל אחד מהם באותה תקופה. לאחר מכן הם דימו את הדיסקות שסבבו את כוכבי הלכת — מאגרי הגז והאבק שמהם נולדים ירחים — ובדקו כיצד ירחים צעירים נוצרים, נודדים במסלוליהם ולעתים גם אובדים.

המסקנה המרכזית היא שהשדה המגנטי של יופיטר הצעיר היה כנראה חזק מספיק כדי ליצור חלל פנימי בתוך הדיסקה שסביבו. האזור הזה, מעין "מרחב בטוח", היה עשוי לאפשר לירחים גדולים כמו איו, אירופה וגנימד להיעצר ולא להיסחף פנימה אל כוכב הלכת. אצל שבתאי, לפי אותו מודל, השדה המגנטי היה חלש יותר ולא יצר חלל פנימי דומה — ולכן ירחים שנדדו פנימה לא נהנו מהגנה כזאת.

למה זה קורה?

במרכז ההסבר עומדת הדיסקה ההיקפית שסביב כוכב לכת צעיר, המכונה דיסקה סביב-פלנטרית. זו הסביבה שבה נוצרים ירחים, בדומה לאופן שבו כוכבי לכת נוצרים מתוך דיסקה סביב כוכב. בתוך הדיסקה הזאת פועלים כוחות כבידה, חיכוך עם גז ותהליכי חימום וקירור, ואלה גורמים לירחים צעירים לשנות בהדרגה את מסלוליהם.

לדברי המחבר הראשון, יורי א' פוג'י, אחד הקשיים בבדיקת תאוריות של היווצרות כוכבי לכת הוא שמערכת השמש היא נקודת הייחוס העיקרית שלנו. עם זאת, מערכות הירחים של כוכבי הלכת הקרובים מספקות לחוקרים מאפיינים מפורטים שאפשר למדוד ולהשוות. בדיוק בגלל זה, ההבדל החד בין יופיטר לשבתאי הוא מבחן חשוב לכל תאוריה.

לפי המחקר, עוצמת השדה המגנטי אינה פרט שולי אלא גורם שעשוי לעצב את מבנה מערכת הירחים כולה. אם השדה חזק, הוא מסוגל לשנות את מבנה הדיסקה ולפתוח אזור פנימי דל בחומר. אזור כזה עשוי לעצור חלק מהנדידה של ירחים גדולים ולאפשר את הישרדותם לאורך זמן. אם השדה חלש, אין מחסום כזה, והירחים עשויים להמשיך לנוע פנימה עד לאובדנם.

מה ההיסטוריה?

יופיטר ושבתאי נחשבים כבר שנים למעבדה טבעית לחקר היווצרות ירחים. לשניהם יש משפחות ירחים ענפות: ליופיטר דווחו יותר ממאה ירחים, ולשבתאי יותר מ-280. אבל הכמות לבדה אינה מספרת את הסיפור. סביב יופיטר יש ארבעה ירחים גדולים מאוד — איו, אירופה, גנימד וקליסטו — המכונים הירחים הגליליאניים. סביב שבתאי, לעומת זאת, טיטאן בולט באופן מובהק מעל שאר הירחים בגודלו ובמעמדו.

הפער הזה העסיק חוקרים זמן רב. תאוריות קודמות הציעו הסברים שונים, החל בהבדלים בכמות החומר בדיסקה ועד לקצב היווצרות הירחים. המחקר החדש אינו מבטל בהכרח את כל ההסברים הישנים, אך הוא מכניס למשוואה רכיב שקיבל עד כה פחות תשומת לב: המגנטיות של כוכב הלכת עצמו בשלבי היווצרותו.

כדי לבחון את הרעיון, הצוות השתמש גם בסימולציות N-body, שיטה המאפשרת לעקוב אחרי אינטראקציות כבידתיות בין גופים רבים לאורך זמן. החישובים בוצעו במרכז לאסטרופיזיקה חישובית של המצפה האסטרונומי הלאומי של יפן. המאמר פורסם בכתב העת Nature Astronomy.

מה המשמעות?

החשיבות של המחקר חורגת מיופיטר ומשבתאי. אם המודל נכון, אפשר יהיה להשתמש בו כדי לנבא איך ייראו מערכות ירחים גם סביב כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. לפי התחזית שמציעים החוקרים, כוכבי לכת בגודל של יופיטר או גדולים ממנו נוטים יותר לפתח מערכות צפופות עם כמה ירחים משמעותיים, בעוד שכוכבי לכת שדומים יותר לשבתאי עשויים להסתפק בירח אחד או שניים גדולים.

למסקנה הזאת יש ערך מעשי עבור תצפיות עתידיות. חיפוש אחר אקסו-ירחים — ירחים מחוץ למערכת השמש — הוא תחום שעדיין נמצא בראשיתו, וכל מודל שמסייע להעריך היכן כדאי לחפש ובאיזה סוג של כוכבי לכת צפויים להימצא ירחים גדולים, יכול לחדד את עבודת הטלסקופים והחוקרים.

מעבר לכך, מדובר בתזכורת לכך שגם במערכת השמש המוכרת היטב נותרו שאלות יסוד פתוחות. ההבדל בין יופיטר לשבתאי לא נובע רק ממספר הירחים סביבם, אלא מהתנאים הפיזיקליים ששררו סביבם בראשית דרכם — תנאים שעשויים לעצב לא רק כוכבי לכת, אלא גם את העולמות הקטנים שמקיפים אותם.