מדעני מכון ויצמן למדע ושותפיהם למחקר חישבו את "טביעת האצבע" הכבידתית של תבניות הרוחות בכוכבי-הלכת אורנוס ונפטון

בכוכבי-הלכת הענקיים אורנוס ונפטון שוררים תנאי אקלים קיצוניים: רוחות המנשבות במהירות של יותר מ-1,000 ק"מ בשעה, סערות דמויות הוריקן שקוטרן עולה על זה של כדור-הארץ, מערכות מטאורולוגיות עצומות אשר שורדות שנים רבות, וזרמי סילון מהירים. בשני כוכבי-הלכת, המסוּוגים כ"ענקי קרח", תנאי האקלים דומים, וזאת למרות שאורנוס נטוי על צידו, כך שבמהלך החורף פונה הקוטב שלו אל השמש. אפשר לצפות בפני השטח החיצוניים של הרוחות המנשבות על פני כוכבי-הלכת באמצעות טלסקופים, אבל כדי להבין לעומק את מערכות האקלים, יש לדעת מה מתרחש מתחת לעננים הנצפים; לדוגמה, האם מקור התבניות האטמוספריות הוא במעמקי כוכבי-הלכת, או שמא מדובר בתהליכים "שטחיים"? מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע, אוניברסיטת תל-אביב ואוניברסיטת אריזונה, אשר מתפרסם היום (חמישי) בכתב-העת המדעי Nature, קובע חסמים לעומק הרוחות הנצפות על פני אורנוס ונפטון.

אורנוס ונפטון הם כוכבי-הלכת המרוחקים ביותר במערכת השמש, ושאלות רבות הנוגעות לאופן היווצרותם ולהרכבם עדיין פתוחות, אך מחקר זה עשוי לתרום לפיזור המיסתורין. מלבד זאת, רבים מכוכבי הלכת שזוהו במערכות שמש אחרות הם בעלי מאסה דומה למאסות של נפטון ואורנוס, ולכן השלכות המחקר הזה עשויות לפרוץ את גבולות מערכת השמש, אל כוכבי לכת מרוחקים יותר.

הבנת התהליכים האטמוספריים היא משימה מורכבת, בעיקר כאשר מדובר בכוכבי-לכת חסרי פני שטח מוצקים, בהם ההבחנה המקובלת בין מוצק, נוזל וגז אינה קיימת. מאז גילוי הרוחות האטמוספריות החזקות על פני נפטון ואורנוס, בשנות ה-80 של המאה שעברה, באמצעות החללית "וויאג'ר 2", נותרה השאלה הנוגעת לעומק של אותן רוחות בגדר תעלומה. פתרונה עשוי לתרום להבנת החוקים הפיסיקליים הקובעים את הדינמיקה האטמוספרית בכוכבי לכת, ואת המבנה הפנימי שלהם. צוות המדענים, בראשות ד"ר יוחאי כספי מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה במכון, הבינו כי הם יכולים לקבוע חסם עליון לעוביה של השכבה האטמוספרית, וזאת בהתבסס על שיטה ייחודית לניתוח השדות הכבידתיים של כוכבי-הלכת.

סטיות בחלוקת המאסה על כוכבי-הלכת גורמות תנודות בשדות הכבידתיים שלהם, תנודות שאפשר למדוד. לדוגמה, על מטוס אשר טס בסמוך להר גדול תופעל תוספת קטנה של כוח כבידתי, שמקורה במסת ההר. בדומה לכדור-הארץ, גם ענקי הקרח מסתובבים במהירות. למעשה, הם מסתובבים מהר יותר מכדור-הארץ: אורנוס משלים סיבוב סביב צירו מדי 17 שעות, ונפטון מהיר עוד יותר – הוא משלים סיבוב סביב צירו מדי 16 שעות. בגלל הסיבוב המהיר, הרוחות נושבות סביב האזורים בהם יש לחץ אטמוספרי גבוה או נמוך (בגוף שאינו מסתובב ינועו הרוחות מלחץ גבוה ללחץ נמוך). הודות לעובדה זו יכולים מדענים לקבוע את הקשר שבין חלוקת הלחצים והצפיפות לבין תבנית הרוחות על פני כוכבי-הלכת. באמצעות עקרונות פיסיקליים אלה הצליחו ד"ר כספי ושותפיו למחקר לחשב לראשונה את "טביעת האצבע" הכבידתית של תבניות הרוחות, וכך ליצור מפה כבידתית של שני כוכבי הלכת, המבוססת על נתוני הרוחות.

בהסתמך על מודלים פנימיים רבים ללא רוחות, אותם חישבה ד"ר רוית חלד מאוניברסיטת תל-אביב, הצליח הצוות, שכלל גם את פרופ' אדם שומאן וביל הבארד מאוניברסיטת אריזונה, ואת פרופ' עודד אהרונסון ממכון ויצמן למדע, לקבוע חסמים עליונים לתרומתם של גורמים מטאורולוגיים לשדות הכבידה אשר קובעים את עומק הרוחות בכוכבי-הלכת. כך הצליח הצוות להראות, כי זרמי הסילון שנצפו באטמוספרה מוגבלים ל"שכבת מזג אוויר" שעומקה אינו עולה על 1,000 ק"מ, אשר מהווה אחוז זעיר ממאסתם של כוכבי-לכת אלה.

בעתיד הקרוב לא מתוכננת שליחת חללית לנפטון או לאורנוס, אולם ד"ר כספי צופה שממצאי המחקר יסייעו בהבנת תהליכים אטמוספריים על ענק גז אחר, כוכב הלכת צדק. ד"ר כספי, ד"ר חלד ופרופ' הבארד משתתפים, במסגרת נאס"א, בצוות מחקר של החללית "ג'ונו", אשר שוגרה לצדק בשנת 2011. עם הגעתה לשם, בשנת 2016, היא תספק מדידות מדויקות של שדות הכבידה בכוכב-הלכת. ד"ר כספי משער, כי השיטות בהן השתמשו במחקר הנוכחי יאפשרו להסיק מסקנות דומות לגבי צדק, כלומר, להציב חסמים על עובי השכבה בה מתקיימים התהליכים הדינמיים של האטמוספרה.

מידע נוסף אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע 08-934-3856