החיפוש אחר כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש

כוכבי לכת כמעט ואינם פולטים אור משל עצמם. האור הנפלט מכוכבים נוצר בתהליך הבעירה התרמו-גרעינית, המתאפשר רק בגלל הלחץ הכבידתי העצום השורר בליבות הכוכבים. האור המגיע אלינו מכוכבי לכת במערכת השמש שלנו הוא למעשה אור השמש המוחזר מפני הפלנטות. כמות האור היא מזערית. במקרה של צדק כמות האור קטנה פי מיליארדים מזה הנפלט מהשמש. גם עם הטלסקופים והגלאים הטובים ביותר העומדים לרשותנו היום אי אפשר לראות את כוכבי הלכת ליד כוכבי האם שלהן.

כבר לפני זמן רב שיערו אסטרונומים שניתן להסיק בדבר נוכחותן של פלנטות בעזרת המשיכה הכבידתית שהן מפעילות על כוכבי האם שלהן. התנועה המחזורית של הכוכב הנגרמת על ידי בן הזוג הבלתי נראה יכולה להסגיר את קיומו של כוכב לכת. הניסיונות הראשונים לגלות את התנועות האלו נעשו באמצעות אסטרומטריה. אסטרומטריה היא ענף האסטרונומיה העוסק במדידה מדויקת של מיקום העצמים על מפת השמיים. תנועה מספיק גדולה של הכוכב תתבטא בשינויים קטנים במיקומו האסטרומטרי. אלא שהתברר שהתנועות הצפויות כתוצאה מנוכחותן של פלנטות הן קטנות מכדי להתגלות באמצעים אסטרומטריים.

ענף האסטרונומיה שאפשר בסופו של דבר לגלות פלנטות הוא הספקטרוסקופיה. במקום למדוד את המיקום המשתנה של כוכבים, הספקטרוסקופיה מאפשרת לנו למדוד את מהירותם. אור הכוכב מועבר דרך ספקטרוגרף, המפצל אותו לאורכי הגל השונים ומייצר את הספקטרום של הכוכב. הספקטרום מאפשר לנו להסיק מידע רב אודות הכוכב, כגון ההרכב הכימי של האטמוספירה שלו, הטמפרטורה שלו, מהירות הסיבוב שלו סביב צירו. עם זאת, השימוש המפורסם ביותר של הספקטרום הוא למדידת ההסחה לאדום (או לכחול), הנובעת מאפקט דופלר. מדידה זו מאפשרת לנו למדוד את רכיב מהירותו של הכוכב בכוון קו הראיה ("מהירות רדיאלית").

כל הכוכבים מראים הסחה מסוימת לאדום או לכחול, מכיוון שכולם נעים זה ביחס לזה בתוך הגלקסיה שלנו. הכוכבים המעניינים את ציידי הפלנטות הם אלה שמראים שינויים מחזוריים במהירותם. שינויים מחזוריים כאלה יכולים להעיד על תנועת הקפה כדוגמת זו שנגרמת בגלל נוכחות פלנטה. גודלו של שינוי כזה, יחד עם זמן המחזור שלו, יכולים להעיד על המסה של העצם הבלתי נראה ולאפשר לנו לבדוק האם מדובר בפלנטה או כוכב קטן. לדוגמא, השמש מגיבה לנוכחותו של כוכב הלכת צדק בתנועה שמהירותה 12 מטרים לשניה.

בתחילת שנות השמונים, אסטרונומים מדדו מהירויות רדיאליות בדיוק של כמה מאות מטרים לשניה. כמה קבוצות של אסטרונומים נחושים עמלו במרץ על מנת לשפר את הדיוק, עד שהגיעו ב-1995 לדיוק של 20 מטרים לשניה, שהספיק לחוקרים השויצריים מישל מיור ודידיה קלו כדי לגלות את הפלנטה הקרויה 51 Peg. אמפליטודת שינוי המהירות במקרה זה היא כ-50 מטרים לשניה.

מאז אותה פלנטה ראשונה, התחום תוסס ורוחש בגילויים חדשים. עד ל-51 Peg, התיאוריה בדבר היווצרות מערכת השמש ומערכות פלנטריות אחרות התבססה רק על ידיעותינו ממערכת השמש. הנתונים הראשונים שהגיעו מפלנטות מחוץ למערכת השמש זעזעו את התחום באי התאמתן לתחזיות המקוריות. כך, למשל, הפלנטות דמויות-צדק שהתגלו היו קרובות מהצפוי לכוכבי האם שלהן וחלקן היו בעלות מסלולי הקפה מאוד אליפטיים - תופעות שאינן מוסברות עפ"י התיאוריה הישנה. כיום ידועות כבר יותר מ-100 פלנטות מחוץ למערכת השמש, הדיוק במדידת מהירויות רדיאליות מגיע למטרים לשניה בודדים, והתיאוריה עברה שינויים רבים כדי להסביר גם את תכונותיהן של הפלנטות מחוץ למערכת השמש.

המקרה המיוחד של HD41004

HD41004 הוא שמו של כוכב כפול ידוע, המכיל שני כוכבים הנעים זה מסביב לזה במחזוריות של מאות שנה. אנשי מצפה הכוכבים בג'נבה (הצוות השוויצרי שגילה את הפלנטה ב-51Peg) עקבו אחרי הכוכב הבהיר שב HD41004 לא רק כדי לגלות כוכבי לכת, אלא גם כדי ללמוד על מערכות של כוכבים כפולים. החוקרים השוויצריים הבחינו כי המהירות הרדיאלית של הכוכב הראשי במערכת משתנה באופן מחזורי, ממש כאילו מקיף אותו כוכב לכת. עם זאת, מאפייני כוכב הלכת היו מוזרים מעט, מכיוון שזמן המחזור של התנועה היה קצר מאוד - כ-1.3 יום. חוקי קפלר, התקפים גם במערכות שמש אחרות, מלמדים אותנו שזמן מחזור כה קצר מחייב את כוכב הלכת להקיף את הכוכב במסלול קרוב מאוד. בקרבה כזו יפעלו על כוכב הלכת כוחות גאות ושפל חזקים מאוד, הטמפרטורה שלו תשתנה בגלל קרינת הכוכב ובכלל, לא ברור אם הוא יוכל לשרוד. אכן, אף אחת מכוכבי הלכת שהתגלו עד כה אינם מראים זמן מחזור כה קצר.

הצוות השוויצרי חשד לכן שמדובר במצב מעט שונה. הם שיערו שהעצם שמבצע את התנועה הנצפית הוא, למעשה, הכוכב הקטן שבמערכת. לפי הסבר זה, סובב את הכוכב הקטן עצם הגדול מכוכב לכת, וגורם לו לבצע תנועה בעלת אמפליטודה של מספר ק"מ לשניה. מכיוון שהתרומה של הכוכב הקטן לאור שמגיע מהמערכת היא קטנה מאוד (הספק הקטן פי 30 ביחס לכוכב הראשי), נראה לנו כאילו יש הסחת דופלר קטנה בהרבה מזו האמיתית. כך, אנו עשויים לטעות ולחשוב שמדובר בכוכב לכת סביב הכוכב היחיד שאנו רואים.

כדי להוכיח תיאוריה זו היה צורך בשיטה שתאפשר להפריד את האור המגיע משני הכוכבים. זו התרומה של מחברי מאמר זה. בשנת 1994 הצגנו שיטה שמאפשרת למדוד ביתר דיוק את המהירויות הרדיאליות של שני המרכיבים של כוכב כפול. שיטה זו, לה קראנו TODCOR (TwO-Dimensional CORrelation) אפשרה לנתח בצורה יותר מדויקת את מאפייניהם של כוכבים כפולים רבים. עם זאת, המקרה של HD41004 היה עדיין קשה במיוחד, בגלל השינויים הקטנים במהירותם של שני הכוכבים. כדי להצליח לטפל במקרה מסוג זה נאלצנו לשכלל את השיטה כדי שתעשה שימוש נכון בכל האינפורמציה הקיימת בספקטרום. בסופו של דבר הצלחנו לקבל הפרדה לשתי מהירויות - של הכוכב הראשי ושל הכוכב המשני. ואכן, המחזור של 1.3 יום מופיע רק במהירות הכוכב המשני, והוא מתאים לנוכחות של עצם הנקרא "ננס חום" המקיף אותו.

ננסים חומים הם עצמים דמויי כוכב, שנוצרים בדרך דומה לדרך בה נוצרים כוכבים - מקריסה ספונטנית של ענן גז. כאשר המסה אינה מספיק גדולה כדי "להתניע" את תהליך הבעירה התרמו-גרעינית, אנו נשארים עם כדור דחוס של גז. כוכבי לכת (לפי המשוער) נוצרים בתהליך אחר המתרחש בדיסקות אבק וגז הסובבות כוכבים צעירים - תהליך שכנראה מוביל ליצירת גופים קטנים יותר מננסים חומים. הבנת פרטי שני התהליכים היא אחת המטרות המרכזיות של האסטרופיזיקה של כוכבים ופלנטות. ננסים חומים המאכלסים את "קו התפר" בין אוכלוסיית הכוכבים ואוכלוסיית הפלנטות, יכולים לסייע בהבנת תהליכים אלה.

בדיקה מדוקדקת של הנתונים גילתה כי שינוי במהירות הופיע גם בכוכב הראשי. מיד התעוררה השאלה בדבר המהות של התנועה הזו. המשך התצפיות ע"י החוקרים השוויצרים וניתוח המהירויות על ידינו הוביל לפתרון החידה החדשה. מסתבר שהכוכב הראשי מבצע גם הוא תנועה מחזורית, במחזור של כ-650 יום, ותנועה זו מקורה, כנראה, בכוכב לכת, בעל מסה של כ-2 מסות צדק, הסובב את הכוכב הבהיר.

כדאי לעבור שוב בקצרה על התהליך שעברה הבנתנו את המערכת HD41004: בתחילה, היה ידוע לנו רק כי זהו כוכב כפול. אחר כך היא נראה כאילו כוכב לכת סובב את הכוכב הראשי במחזור קצר של 1.3 יום. המודל נפסל בשלב מוקדם מאוד של המחקר, שלב שבו הצלחנו להראות שלמעשה ננס חום סובב את הכוכב המשני במחזור 1.3 יום. בהמשך, חזרנו למודל הכולל בתוכו כוכב לכת, כש"הוספנו" כוכב לכת סביב הכוכב הראשי, במחזור של כ-650 יום. בסופו של דבר נשארנו עם מערכת מיוחדת במינה - מערכת של כוכב כפול, המאכלסת בנוסף לשני הכוכבים גם ננס חום וגם כוכב לכת. מערכות מסוג זה הן בדיוק אלה שיסייעו לנו לבחון את "קו התפר" שהוזכר קודם - בין כוכבים וכוכבי לכת, ולחקור את תהליכי היצירה וההתפתחות שלהם.

References:
* Marcy, G.W. & Butler, R.P. 2000, Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, 36, 57
* Marcy, G.W. & Butler, R.P. 2000, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 112, 137
* Mayor, M. & Queloz, D. 1995, Nature, 378, 355
* Santos, N.C. et al. 2003, Astronomy and Astrophysics, 406, 373
* Zucker, S. & Mazeh, T. 1994, The Astrophysical Journal, 420, 806
* Zucker, S., Mazeh, T., Santos, N.C., Udry, S. & Mayor, M. 2003, Astronomy and Astrophysics, 404, 775
* Zucker, S., Mazeh, T., Santos, N.C., Udry, S. & Mayor, M. 2003, in prepartion.

Links:
* http://www.obspm.fr/encycl/encycl.html
* http://exoplanets.org
* http://obswww.unige.ch/~udry/planet/planet.html