התפתחות מערכת השמש

ציור של הדיסקה קדם-פלנטרית (קודמת ליצירת כוכבי הלכת)

דיסקות פרוטופלנטריות בערפילית אוריון, "בית יולדות לכוכבים" ברוחב של כמה שנות אור שכנראה דומה מאוד לערפילית הקדמונית שממנה נוצרה השמש שלנו. תצלום של טלסקופ החלל האבל

התאוריות באשר להתפתחות מערכת השמש מורכבות ומגוונות ושוזרות תחומי מדע שונים, מאסטרונומיה ופיזיקה ועד לגאולוגיה וגיאופיזיקה. תאוריות רבות פותחו במאות השנים האחרונות באשר לדרך בה נוצרה מערכת השמש, אך התאוריה המודרנית התפתחה רק במאה ה-18. עם תחילת עידן החלל, עזרו התמונות והמבנים של העולמות האחרים לעדן את התובנות שלנו, בעוד ההתקדמות בפיזיקה גרעינית אפשרה לנו הצצה ראשונה אל התהליכים שבבסיס יצירת הכוכבים, והובילה לתאוריות הראשונות על דרך יצירתם ועל הדרך בה נחרבו לבסוף.

ההשערה המקובלת כיום על דרך היווצרות מערכת השמש היא "השערת הערפילית" שהוצעה לראשונה ב-1734 על ידי עמנואל סוודנבורג. ב-1755 הרחיב עמנואל קאנט את התאוריה. תאוריה דומה פותחה במקביל וללא תלות על ידי פייר-סימון לפלס ב-1796. בתקופתם שיערו כי דווקא ערפיליות פלנטריות (כמו ערפילית הטבעת) הן הערפיליות בהן נוצרים כוכבי הלכת, אולם כיום ההשערה הכללית היא שדווקא ערפיליות המכונות ערפיליות יצירה הן מקום הלידה של מערכות שמש. ערפיליות יצירה מוכרות הן ערפילית אוריון וערפילית הנשר.

היסטוריה של המחקר

ערך מורחב – היסטוריה של האסטרונומיה

הסברים קדומים

רעיונות הנוגעים למקורו וגורלו של העולם, השמש, הירח, כוכבי לכת ושאר והכוכבים מקורם נמצאים במיתולוגיות ובכתבים המוקדמים ביותר הידועים. ההיסטוריה של האסטרונמיה נמשכת על פני עשרות אלפי שנים שבהם אנשים עקבו אחר גרמי השמיים, הרבה לפני המצאת הכתב. אולם, במשך כמעט כל אותו זמן, לא היה ניסיון לקשר הסברים כאלה לקיומה של "מערכת שמש", פשוט בגלל שלרוב לא לא חשבו שקיימת מערכת השמש, במובן שאנו מבינים כיום. בתרבויות עתיקות רבות היו קיימים אלי שמש וכן היו מיתולגיות על בריאת העולם שכחלק ממנו נבראו כביכול הארץ, הירח, השמש והכוכבים.

בסביבות 600 לפני הספירה, תאלס איש מילטוס שאל "ממה עשוי היקוים". אף כי המודל שהציע היה שגוי, הוא היה האדם הראשון שידוע לנו שהציע הסבר למבנה העולם ללא נוכחות אלים או כוחות על טבעיים אחרים אלא באמצעות חוקים פנימייים שטבועים בעולם - מה שמכונה כיום חוקי טבע. בעקבות תאלס היו הוגים יוונים נוספים שניסו לחקור את העולם. אריסטרכוס מסאמוס הציע מודל הליוצנטרי בשנת 250 לפני הספירה, וכן הוא מדד את הגודל היחסי של כדור הארץ והירח והעריך את המרחק לשמש. אולם המודל שלו נדחה לטובת מודל שנראה הגיוני יותר - המודל הגאוצנטרי, שהיה משולב בהסברים דתיים, לפיהם אלוהים הציב את הירח, השמש וכוכבי הלכת במסלולים מעגליים ומושלמים סביב כדור הארץ שהוא כיבכול גם מרכז היקום.

המהפכה הקופרניקאית

צעד חשוב לקראת תיאוריה של היווצרות והתפתחות של מערכת השמש היה המהפכה הקופרניקאית החל מ-1543 (על הקפות כיפות השמיים) שהובילה לקונצנזוס מדעי על המודל ההליוצנטרי במאה ה-17. השימוש המתועד הראשון במונח "מערכת השמש" הוא משנת 1704.

המהפכה קופרניקאית והמודל שבנו בעקבותיה כללו חידושים רבים בראיית האדם את העולם, את המדע ואת עצמו. במודל זה השמש נמצאת במרכז המערכת. כדור הארץ הוא סוג של "פלנטה", אחת מיני כמה פלנטות אחרות שסובבות את השמש. מסלול הפלנטות סביב השמש הוא מסלול אליפטי ולא עגול. התברר כי סיבוב כדור הארץ סביב צירו הוא הגורם לחילופי היום והלילה, ולא סיבוב השמש סביב כדור הארץ כפי שחשבו קודם לכן. הירח של כדור הארץ הוא סוג של ירח וכמותו קיימים עוד ירחים אחרים הסובבים סביב גופים אחרים.

הגילוי של מודל הליוצנטרי ופיתוח חוקי קפלר הסביר איך מערכת השמש בנויה, אבל לא מדוע היא בנויה כך. אייזק ניוטון וממשיכי דרכו פיתחו את הפיזיקה הניוטונית שהסביר את חוקי התנועה של כוכבי הלכת סביב השמש. הגילוי כי כדור הארץ אינו במרכז היקום הוביל להפטרות מהרעיון לפיו דברים נופלים אל כדור הארץ בגלל שבאופן טבעי הם נמשכים למרכז היקום, דבר שהוביל בהמשך להסבר של כבידה. כמו כן בניגוד למחשבה הקודמת לפיה חוקי אלוהיים מושלים בכוכבים מעל קו הירח ואילו חוקים אחרים חלים על כדור הארץ, [הפיזיקה הניוטונית העניקה חוקי טבע קבועים ואחידים שמסבירים הן את תנועת הכוכבים סביב השמש והן תנועה של חפצים ארציים כמו כדורי תותח. המונח שנה קיבל משמעות של הקיפת כדור הארץ סביב השמש. בהמשך התגלה גם כי עונות השנה אינן קשורית לאלי מזג אוויר או כוחות על-טבעיים אחרים אלה קשורות ישירות לנקיפת ציר כדור הארץ ולגורמים אחרים הנוגעים לאסטרונומיה וכוחות גאופיזיים. כמו כן התברר כי כוכבי השבת, רחוקים בהרבה ממה שחשבו בעבר. חלק מהשינוי של המהפכה הקופרניקאית היה גם בשיטות העבודה ובציוד -שימוש רב יותר במדידות ובמתמטיקה במקום בהנמקות תאולוגיות וכן פיתוח של טלסקופים ומכשירי תצפית ומדידה שנועדו להשיג דיוק רב יותר.

תאוריית הערפילית

ההתיאוריה הסטנדרטית הנוכחית להיווצרות מערכת השמש, השערת הערפילית הוצעה לראשונה ב-1734 על ידי עמנואל סוודנבורג בספרו "עבודות פילוסופיות ומינרלוגיות". ב-1755 הרחיב עמנואל קאנט את התאוריה. תאוריה דומה פותחה במקביל וללא תלות על ידי פייר-סימון לפלס ב-1796.

התאוריה זכתה לתמיכה והתנגדות חליפית מאז ניסוחה. הביקורת המשמעותית ביותר על ההשערה הייתה חוסר יכולתה לכאורה להסביר את היעדר היחסי של תנע זוויתי של השמש בהשוואה לכוכבי הלכת. עם זאת, מאז תחילת שנות ה-80 מחקרים על כוכבים צעירים הראו שהם מוקפים בדיסקים קרירים של אבק וגז, בדיוק כפי שחוזה השערת הערפילית, מה שהוביל לקבלתה מחדש.

ההבנה של האופן שבו צפויה השמש להמשיך ולהתפתח דרשה הבנה של מקור כוחה. ב-1919 ארתור סטנלי אדינגטון ערך משלחת תציפית לצפות בליקוי חמה, המשלחת דיווחה על הסטה במיקום של כוכבים שנראו בקרבת השמש, דבר שאושש את התופעה של עידוש כבידתי ומכאן אישוש לתורת היחסות של אלברט איינשטיין.

הדבר הוביל להבנתו של אדינגטון לפיה אנרגיית השמש מגיעה מתגובות היתוך גרעיני בליבתה, הממזגות מימן להליום. ב-1935, אדינגטון הרחיק לכת והציע שגם יסודות אחרים עשויים להיווצר בתוך כוכבים. פרד הויל הרחיב על הנחת יסוד זו בטענה שכוכבים שהתפתחו הנקראים ענקים אדומים יצרו יסודות רבים כבדים יותר ממימן והליום בליבותיהם. כאשר ענק אדום משליך לבסוף את השכבות החיצוניות שלו, היסודות הללו היו ממוחזרים ליצירת מערכות כוכבים אחרות.

היווצרות ראשונית

ערפילית השמש

התפיסה המודרנית באשר להשערת הערפילית גורסת כי מערכת השמש נוצרה לפני כ-4.6 מיליארד שנים מקריסה כבידתית של ענן מולקולרי (אזור קטן בערפילית יצירה). רדיוס הענן הראשוני היה כנראה בגודל מספר שנות אור וממנו נולדו מספר כוכבים. אף על פי שבתחילה האמינו כי תהליך זה התרחש בצורה רגועה - הוכיחו מחקרים עדכניים של מטאוריטים קדומים, בהם נתגלו שרידים של יסודות הנוצרים אך ורק בליבות של כוכבים גדולים מאוד שהתפוצצו - כי הסביבה בה נמצאת השמש היא תוצר של מספר סופרנובות קרובות. ייתכן שגלי ההלם שנוצרו מהתפוצצות סופרנובות אלו הם שהביאו להיווצרות השמש על ידי יצירת אזורים דחוסים מאוד בערפילית הסובבת ועקב כך להתמוטטות פנימה.

שבר העננה ממנו נוצרה השמש היה בעל רדיוס של כ-7,000 עד 20,000 יחידות אסטרונומיות ומסתו עלתה בלא יותר מאחוז בודד על מסת השמש כיום. הרכב הערפילית היה דומה למדי להרכב החומר שנוצר במפץ הגדול: 98% מימן והליום ו-2% בלבד של יסודות כבדים. 2% אלו נוצרו על ידי היתוך גרעיני (נוקליאוסינתזה) בליבות אותם כוכבים אשר גרמו לקריסת הערפילית.

ציור של כוכב מסוג T בשור

כאשר הערפילית קרסה תחת עצמה, שימור התנע הזוויתי גרם לחומר המרכיב אותה להסתובב במהירות הולכת וגדלה, אנרגיית כבידה פוטנציאלית הפכה לאנרגיה קינטית אשר התגלמה בין השאר כחום. במרכז העננה לחץ הגזים, העלייה באנרגיה הקינטית וכן פעולה של שדות מגנטיים גרמו לערפילית להידחס לצורת דיסקה שטוחה. הדיסקה הפרוטופלנטרית הגיעה לרדיוס של כמאתיים יחידות אסטרונומיות ובתוכה החל להיווצר פרוטו כוכב. בשלב זה, הייתה השמש דומה לכוכבים מסוג T בשור - כוכבים צעירים מאוד המוקפים דיסקות אבק בין כוכבי שטרם הגיעו לשלב ההיתוך הגרעיני והפקת האנרגיה שלהם מסתמכת על קריסה כבידתית. לאחר כמאה מיליון שנים הלחץ גובר בליבת הפרוטו כוכב והטמפרטורה במרכזו מגיעה למיליוני מעלות. דבר זה מאפשר לכוכב להגיע לשיווי משקל הידרוסטטי - השלב הסופי בהיווצרות כוכב.

היווצרות כוכבי הלכת

בגלל שימור התנע הזוויתי, מרבית החומר שסובב את הפרוטו כוכב מרוכז בדיסקה שטוחה בה ריכוז החומר גבוה משמעותית לעומת האזורים הניצבים לדיסקה. אף על פי כן, מסת הדיסקה מהווה רק שברי אחוז ממסת הכוכב. באזור זה גרגרי אבק נצמדו זה לזה ובתהליך של סיפוח גדלו והפכו לפלנטיסימלים. בתנועתם סביב השמש, הפלנטיסימלים התנגשו זה בזה, לא אחת התוצאה הייתה התפרקות אולם מספר גופים אשר גדלו מעבר לרדיוס מינימלי של מספר קילומטרים יכלו להמשיך ולגדול. גופים אלו מכונים פרוטו פלנטות.

בשל הכאוס ששרר באותה תקופה, פלנטיסמליים רבים התרסקו לעבר השמש בעוד שאחרים מצאו דרכם לקצוות מערכת השמש, והם ככל הנראה המקור לעננת אורט ולחלק נכבד מן השביטים.

כוכבי הלכת הפנימיים

תחילת ההיתוך הגרעיני בשמש גרם לעלייה משמעותית בטמפרטורה בחלקה הפנימי של מערכת השמש. החומרים הנדיפים כמים ומתאן התנדפו והותירו את הפלנטיסימלים שם עם מעט חומר, רק כ-0.6% ממסת הדיסקה. החומרים שנותרו היו בעלי נקודות התכה גבוהות כסיליקטים ומתכות; חומרים אלו הם המרכיבים העיקריים של כוכבי הלכת הפנימיים. בקצה האזור ממנו התנדפו אותם חומרים, כח המשיכה של מה שעתיד להיות כוכב הלכת צדק לא איפשר לפלנטיסימלים להיווצר והותיר את חגורת האסטרואידים.

כוכבי הלכת החיצוניים

מעבר לקו השלג חומרים כמים ומתאן קפאו והצטברו בכמויות גדולות; הגופים שעתידים להפוך לצדק ולשבתאי אספו את מירב החומר שנותר לאחר היווצרות הפרוטו כוכב והם מכונים הענקים הגזיים. יתרת החומר הפכה לגופים מהם ייווצרו אורנוס ונפטון המכונים ענקי הקרח, משום שככל הנראה במרכזם ליבת קרח (קרח של תרכובות מימן שונות).

כוכבי T-שור מתאפיינים ברוח שמשית חזקה מאוד, במהלך תקופה זו השמש הצעירה הקרינה את שאריות הערפילית הפרוטופלנטרית לחלל הבין-כוכבי ובכך לא איפשרה לפרוטופלנטות להמשיך ולגדול.

מעבר למערכת השמש כיום

מסלולי כוכבי הלכת הפנימיים

היווצרות הירח בהתאם לתיאורית המכה הגדולה

גילוי של כוכבי לכת חוץ-שמשיים בסוף המאה ה-20 גרם לשינויי תפיסה רבים לגבי היווצרות מערכת השמש. הטענה כי כוכבי הלכת נוצרו במסלולם הנוכחי או בקרבה רבה אליו מתערערת בשנים האחרונות והדעה הרווחת כיום היא שבעבר סבבו במערכת השמש הפנימית חמישה גופים גדולים ולא ארבעה. חלקה החיצוני של מערכת השמש היה צפוף יותר והמרחק מן השמש למה שעתיד להפוך לאורנוס היה קטן משמעותית. ייתכן כי מקורם של כוכבי לכת תועים הוא בעת היווצרותן של מערכות שמש.

היוצרות הירח

ערך מורחב – השערת ההתנגשות הענקית

לפי תאוריות עדכניות, ה"מכה הגדולה" אשר נרמזה בפסקה הקודמת נוצרה באחת מנקודות לגרנז' היציבות L4 או L5 וסטתה מהן מסיבה כלשהי. תיאה, גוף בעל מסה מסדר הגודל של מאדים, פגע בכדור הארץ בעוצמה אדירה אשר גרמה לנטיית ציר הסיבוב של כדור הארץ להשתנות וכמות חומר אדירה התנתקה מפני כדור הארץ ויצרה את הירח.

חגורת האסטרואידים

לפי השערת הערפילית, בעת היווצרות מערכת השמש נותר די חומר ליצור כוכב לכת נוסף במסלול שבין מאדים וצדק, אולם צדק כבר היה גורם בעל כובד משקל לא מבוטל ופלנטיסימלים בעלי מסלולי תהודה מסלולית כלפיו לא הצליחו להסתפח זה לזה ולעבור את ה"חסם" שיאפשר להם להפוך לפרוטופלנטות. פעולת כח המשיכה של צדק לא רק מנעה היווצרות של פרוטופלנטה בחגורת האסטרואידים, אלא ניפתה רבים מהם אל שולי מערכת השמש והותירה רק כעשירית ממסת כדור הארץ.

עדויות להתנגשויות הרבות בחגורת האסטרואידים ניתן למצוא בכך שלאסטרואידים רבים ישנם ירחים בדמות אסטרואידים קטנים יותר. ירחים אלו ככל הנראה נוצרו לאחר התנגשויות במהירות קטנה יחסית, כך שאותם ירחים לא הגיעו למהירות המילוט. השפעת הענקים הגזיים, ובמיוחד צדק, ניכרת עד היום במספר הירחים הקטנים המקיפים אותו (שלא לבלבל עם הירחים הגליליאניים). דוגמה בולטת במיוחד ניתן לראות בחגורת האסטרואידים: אזורים מסוימים אשר נמצאים בתהודה מסלולית מלאה עם כוכב הלכת צדק, נוקו לחלוטין מאסטרואידים. אזורים ריקים אלו נקראים רווחי קירקווד.

ריווחי קירקווד מראים את מידת ההשפעה של כוכב הלכת צדק על חגורת האסטרואידים, באזורי התהודה המסלולית אין כלל אסטרואידים

כוכבי הלכת החיצוניים

הפעולה ההדדית שבין כוכבי הלכת החיצוניים גרמה למסלולם לגדול ולהתרחק מהשמש. אינטראקציות שונות מספקות הסבר גם לנטיית ציר הסיבוב של צדק, שבתאי ונפטון. נטיית ציר הסיבוב של אורנוס נגרמה ככל הנראה מפגיעה עצומה של פלנטיסימל אשר הפנה את ציר הסיבוב שלו כך שיהיה כמעט מקביל למישור המלקה.

שינויי מסלול אלו ככל הנראה גרמו להפצצה הכבדה המאוחרת, במהלכה רבים מהעצמים בחגורת קויפר הופנו אל פנים מערכת השמש או לחלופין הועפו ממנה במהירות רבה. מחקרים עדכניים מראים כי מקור מרבית המים בכדור הארץ הוא שביטים אשר מקורם בחגורת קויפר. כמו כן, גילם של מרבית המכתשים שעל הירח תואם גם הוא לתקופה זו.

סימולצית מחשב של תנועת כוכבי הלכת החיצוניים במהלך היווצרות מערכת השמש: a) לפני שצדק ושבתאי הגיעו לתהודה מסלולית 2:1 b) כוכבי הלכת החיצוניים מתרחקים מהשמש תוך הפגזת חלקה הפנימי בעצמים של חגורת קויפר c) מערכת השמש כיום

עצמי חגורת קויפר

העצמים של חגורת קויפר החלו כאוסף פלנטיסימלים שחסרו מסה מספקת להצטברותם ככוכבי לכת. לאחר שרוח השמש ניפתה את שאריות הגז והאבק שמילאו את מרחבי מערכת השמש, כוכבי הלכת החיצוניים החלו להתרחק מהשמש תוך משיכת חלק מגופי חגורת קויפר פנימה. הגופים שנמשכו לחלקה הפנימי של מערכת השמש גרמו להפגזה הכבדה המאוחרת וגופים שמסלול תנועתם הביא אותם לסביבת כוכבי הלכת הענקים התרסקו על פניהם או נתפסו בכוח המשיכה שלהם והפכו לירחיהם. יאפטוס, ירחו של שבתאי, הוא ככל הנראה גוף שכזה ומלבדו לצדק, שבתאי, אורנוס ונפטון יש עוד עשרות ירחים קטנים שמקורם בחגורת קויפר או בחגורת האסטרואידים.

עצמים מחגורת קויפר אשר הגיעו למהירויות גבוהות מאוד נכנסו למסלולים אקסצנטריים, בנטייה גדולה למישור המלקה ובמרחק גדול מהשמש וכך יצרו את עננת אורט. עצמים רבים בחגורת קויפר ובכללם פלוטו הושפעו מכח המשיכה של נפטון וננעלו במסלולים בעלי תהודה מסלולית איתו, כך אפילו שמסלולו של פלוטו חוצה את זה של נפטון, השניים לעולם לא יתנגשו.

ירחים

כיום ישנן שלוש תאוריות עיקריות למקורם של ירחים לכוכבי הלכת:

• היווצרות משותפת מן הדיסקה הפרוטופלנטרית
• היווצרות מאוסף של שברים שנוצרו לאחר התנגשות או התנגשויות
• לכידה של גוף מחגורת האסטרואידים או חגורת קויפר

ייתכן כי הירחים הגליליאניים בצדק והירחים הגדולים של שבתאי, אורנוס ונפטון נוצרו מאותה דיסקה. ירחים אלו גדולים מאוד (מסדר הגודל של הירח של כדור הארץ) ולמסלולם אקסצנטריות קטנה מאוד. כמו כן, ציר ההקפה שלהם כמעט מתלכד עם ציר הסיבוב של כוכב הלכת אותו הם סובבים. הירחים החיצוניים של אותם כוכבי לכת וגם ירחי מאדים בעלי מסלולים אקסצנטריים וציר ההקפה שלהם את כוכב הלכת לעיתים נטוי ב-180⁰ כך שהם מקיפים את כוכב הלכת בכיוון ההפוך לסיבוב העצמי.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא התפתחות מערכת השמש בוויקישיתוף