כיצד אסטרונומים אכן מוצאים אקסופלאנטים?

לפני דור, הרעיון של כוכב לכת המקיף כוכב רחוק היה עדיין בתחום המדע הבדיוני. אך מאז גילוי האקסופלאנט הראשון בשנת 1988, מצאנו מאות מהן, כאשר התגליות הגיעו בקצב מהיר יותר לאורך זמן.

תוכן קשור

• יש כנראה הרבה יותר Exoplanets כמו כדור הארץ מאשר דמייננו
• חמשת כוכבי הלכת המגניבים המקיפים כוכבים רחוקים

בחודש שעבר, בהודעה יחידה, חשפו אסטרונומים של נאס"א את גילוים של 715 כוכבי לכת שלא היו ידועים בעבר בנתונים שנאספו על ידי טלסקופ החלל קפלר, והביאו את המספר הכולל של Exoplanets ידוע ל 1771. בתוך כל זה כל מיני exoplanets: חלקם כי מסלול שני כוכבים, חלקם מלאים במים, חלקם בגודל כדור הארץ בערך וחלקם גדולים מפי שניים מאשר צדק.

אבל לרוב המוחלט של כל כוכבי הלכת הרחוקים האלה יש דבר אחד משותף - למעט כמה יוצאים מן הכלל, הם רחוקים מכדי לראות אותנו, אפילו עם הטלסקופים החזקים ביותר שלנו. אם זה המקרה, איך אסטרונומים יודעים שהם שם?

במהלך העשורים האחרונים פיתחו החוקרים מגוון טכניקות כדי לאתר את כוכבי הלכת הרבים מחוץ למערכת השמש שלנו, המשמשים לעתים קרובות בשילוב כדי לאשש את הגילוי הראשוני וללמוד עוד על מאפייני כדור הארץ. להלן הסבר על השיטות העיקריות ששימשו עד כה.

מעבר

דמיין שאתה מסתכל על כוכב לכת קטן המקיף כוכב רחוק, רחוק. לעיתים, הכוכב עלול לחלוף בינך לבין הכוכב שלו, ויחסום בקצרה חלק מאור הכוכבים. אם העמעום הזה קרה בתדירות מספקת, ייתכן שתוכל להסיק את נוכחותו של כדור הארץ, גם אם אינך יכול לראות אותו.

(תמונה באמצעות ויקימדיה Commons / ניקולה סמולנסקי)

זוהי, בעיקרו של דבר, שיטת המעבר לאיתור exoplanets, האחראית לרוב תגליות האקסופלאנאט שלנו עד כה. כמובן, עבור כוכבים רחוקים, אין מצב שהעין האנושית העירומה תוכל לגלות באופן מהימן עמעום בכמות האור שאנו רואים, כך שמדענים מסתמכים על טלסקופים (במיוחד טלסקופ החלל קפלר) ומכשירים אחרים לאיסוף ולניתוח נתונים אלה.

לפיכך, מבחינת אסטרונום, "לראות" אקסופלנט רחוק בשיטת המעבר בדרך כלל נראה משהו כזה:

כמות האור מכוכב רחוק, הגרף, טובלת כאשר כוכב לכת עובר בינו לביננו. (תמונה דרך Wikimedia Commons / Сам посчитал)

במקרים מסוימים, כמות העמעום הנגרמת על ידי הכוכב החולף בין הכוכב שלנו ובינינו יכולה גם לומר לאסטרונומים הערכה גסה של גודל כוכב הלכת. אם אנו יודעים את גודל הכוכב ואת מרחק כוכב הלכת ממנו (האחרון נקבע בשיטת גילוי אחרת, מהירות רדיאלית, למטה למטה ברשימה זו), ואנו מבחינים כי כוכב הלכת חוסם אחוז מסוים מאור הכוכב, נוכל מחשבים את רדיוס כדור הארץ על סמך ערכים אלה בלבד.

עם זאת, ישנם חסרונות לשיטת המעבר. יש לתאם נכון כוכב לכת בכדי לעבור בינינו ובין הכוכב שלו, וככל שרוחב ממנה מסלול, כך הסיכוי ליישור זה נמוך יותר. החישובים מצביעים על כך שלכוכב לכת בגודל כדור הארץ שמסייע לכוכב שלו באותו מרחק שאנחנו מקיפים את שלנו (כ 93- מיליון מיילים), יש רק סיכוי של 0.47 אחוז שהוא יישר כראוי בכדי לגרום לעמעום.

השיטה יכולה גם להוביל למספר גבוה של חיוביות שגויות - פרקי עמעום שאנו מזהים כמעבר לכוכבי לכת, אך בסופו של דבר נגרמים על ידי משהו אחר לחלוטין. מחקר אחד מצא כי עד 35 אחוז מהכוכבי הלכת הגדולים והמסתובבים מקרוב שזוהו בנתוני קפלר יכולים למעשה להיות קיימים, והעמעום המיוחס לאבק או לחומרים אחרים שנמצאים ביננו לבין הכוכב. ברוב המקרים, אסטרונומים מנסים לאשר כוכבי לכת שנמצאו בשיטה זו בשיטות אחרות ברשימה זו.

בהירות מסלולית

במקרים מסוימים, כוכב לכת המקיף את כוכבו גורם לכמות האור המגיעה לכדור הארץ לעלות ולא לטבול. באופן כללי, מדובר במקרים בהם כוכב הלכת מקיף את עצמו קרוב מאוד, כך שהוא מתחמם עד כדי כך שהוא פולט כמויות ניתנות לגילוי של קרינה תרמית.

למרות שאנחנו לא מסוגלים להבחין בקרינה זו מזו של הכוכב עצמו, כוכב לכת שמסתובב בקו היישר הנכון ייחשף אלינו ברצף של שלבים קבוע (בדומה לשלבי הירח), כה קבוע, תקופתי עולה בכמות האור שטלסקופי החלל מקבלים מכוכבים אלה ניתן להשתמש כדי להסיק את נוכחותו של כוכב לכת.

בדומה לשיטת המעבר, קל יותר לזהות כוכבי לכת גדולים המסתובבים קרוב לכוכבים שלהם בטכניקה זו. אף על פי שרק קומץ כוכבי לכת התגלו בשיטה זו עד כה אך ורק, היא עשויה בסופו של דבר להיות השיטה היצרנית ביותר לטווח הארוך, מכיוון שהיא אינה דורשת אקסופלאנט שיעבור ישירות ביננו לבין הכוכב בשבילנו לגלות זה פותח מגוון רחב הרבה יותר של תגליות אפשריות.

מהירות רדיאלית

בבית הספר היסודי לימדו אותנו שמערכת סולארית היא כוכב נייח המוקף באטיות סביב כוכבי לכת, אסטרואידים ופסולת אחרת. האמת, עם זאת, מעט מורכבת יותר: בגלל המשיכה הכבידה של כוכבי הלכת, הכוכב מתנדנד ממרכז הכובד של המערכת אי פעם כל כך קל:

(תמונה דרך Wikimedia Commons / Zhatt)

התופעה הולכת ומשהו כזה: כוכב לכת גדול, אם יש לו מספיק מסה, עשוי להיות מסוגל למשוך את הכוכב לעברו, וגורם לכוכב לנוע מלהיות המרכז המדויק של מערכת השמש הרחוקה. כך שניתן להשתמש בתזוזות תקופתיות, צפויות ועם זאת דקות ספורות במיקום הכוכב, כדי להסיק את נוכחותו של כוכב לכת גדול בסמוך לאותו כוכב.

אסטרונומים ניצלו את התופעה כדי לאתר מאות exoplanets. עד לא מזמן, כשהוא עלה על ידי מעבר, שיטה זו (המכונה מהירות רדיאלית) הייתה אחראית לרוב האקסופלאנטים שהתגלו.

זה אולי נראה קשה למדוד תנועות קלות בכוכבים שנמצאים במרחק מאות שנות אור, אך מסתבר שאסטרונומים יכולים לזהות מתי כוכב מאיץ לכיוון (או הרחק מכדור הארץ) במהירויות נמוכות כמטר בשנייה בגלל אפקט הדופלר.

ההשפעה היא תופעת הגלים (בין אם צליל, אור גלוי או צורות אחרות של אנרגיה אלקטרומגנטית) שנראים מעט גבוהים יותר בתדירות כאשר האובייקט הפולט אותם נע לעבר המתבונן, וקצת נמוך יותר כאשר הוא מתרחק. חוויתם ממקור ראשון אם שמעתם אי פעם את היבבה הגבוהה של צפירת האמבולנס המתקרבת שהוחלפה בטון מעט נמוך יותר בזמן שהיא בורחת.

החלף את האמבולנס בכוכב מרוחק וצליל צפירה באור שהוא פולט, והאם יש לך די מושג. בעזרת ספקטרומטרים, המודדים את תדרי האור הספציפיים הנפלטים מכוכב, אסטרונומים יכולים לחפש משמרות לכאורה, מה שמצביע על כך שהכוכב מתקרב אלינו מעט או נסחף מעט משם.

מידת התנועה יכולה אפילו לשקף את מסת כדור הארץ. בשילוב עם רדיוס כוכב הלכת (מחושב באמצעות שיטת המעבר) זה יכול לאפשר למדענים לקבוע את צפיפות הכוכב, וכך את הרכבו (אם מדובר בענק גז או בכוכב לכת סלעי, למשל).

שיטה זו כפופה גם למגבלות: הרבה יותר קל למצוא כוכב לכת גדול יותר המקיף כוכב קטן יותר, מכיוון שכוכב לכת כזה משפיע יותר על תנועת הכוכב. ככל הנראה קשה יהיה לזהות כוכבי לכת קטנים יחסית בכוכבי אדמה, במיוחד במרחקים גדולים.

הדמיה ישירה

בכמה מקרים נדירים, אסטרונומים הצליחו למצוא exoplanets בצורה הפשוטה ביותר: לראות אותם.

שלושה כוכבי לכת מאסיביים - ככל הנראה גדולים יותר מצדק - הצטלמו ישירות סביב הכוכב HR8799 בשנת 2010. (הכוכב עצמו חסום בפסקת משנה. (תמונה דרך נאס"א / JPL-Caltech / Observatory Palomar)

מקרים אלה נדירים כל כך מכמה סיבות. כדי להיות מסוגל להבדיל כוכב לכת מכוכבו, הוא צריך להיות רחוק יחסית ממנו (קל לדמיין שמרקורי, למשל, לא ניתן להבחין בשמש מרחוק). אבל אם כוכב לכת נמצא רחוק מדי מכוכבו, הוא לא ישקף מספיק את האור של הכוכב כך שיהיה גלוי בכלל.

טלסקופים הם אכן גדולים יותר (כמו יופיטר) וחמים מאוד, כך שהם מפטירים את הקרינה האינפרא-אדום שלהם, אותם ניתן לאתר באמצעות טלסקופים ומשמשים להבדיל אותם מכוכביהם. ניתן לזהות בקלות רבה יותר כוכבי לכת שמקיפים מסלול גמדים חומים (חפצים שאינם מסווגים טכנית ככוכבים, מכיוון שהם אינם חמים או מסיביים מספיק כדי ליצור תגובות היתוך, ובכך מפנים מעט אור).

הדמיה ישירה שימשה גם כדי לאתר כמה כוכבי לכת נוכלים מאסיביים במיוחד - כאלה שצפים בחופשיות בחלל, במקום לקיים כוכב.

עדשת כבידה

כל השיטות הקודמות ברשימה זו הגיונות במידה מסוימת בפני לא-מדען ברמה אינטואיטיבית כלשהי. עדשות כבידה, המשמשות לגלות קומץ exoplanets, דורשות מחשבה מופשטת יותר.

דמיין כוכב אחד רחוק מאוד, וכוכב אחר שנמצא בערך באמצע הדרך בינו לבין כדור הארץ. ברגעים נדירים, שני הכוכבים עשויים להתיישר כמעט, כמעט חופפים זה את זה בשמי הלילה. כאשר זה קורה, כוח הכובד של הכוכב הקרוב יותר פועל כמו עדשה, ומעצים את האור הנכנס מהכוכב הרחוק כשהוא עובר לידו כדי להגיע אלינו.

הדמיה של עדשת כבידה, המציגה את האור שמגיע מגלקסיה מרוחקת המוגדלת בקצרה על ידי חור שחור באדמת האמצע. (תמונה דרך אגדת אורביין)

אם כוכב שיש לו כוכב לכת קרוב למסלול משמש כעדשת הכבידה, שדה הכבידה של הכוכב הזה יכול להוסיף תרומה קלה אך ניתנת לזיהוי לאירוע ההגדלה. כך, במקרים נדירים, האסטרונומים הצליחו להסיק את נוכחותם של כוכבי לכת מרוחקים בדרך שהם מגדילים את אורם של כוכבים רחוקים עוד יותר.

גרף של תגליות של exoplanet לפי שנה, עם שיטת גילוי המיוצגת על ידי צבע. ירוק = מעבר, כחול = מהירות רדיאלית, אדום = הדמיה ישירה, כתום = עדשת כבידה. (תמונה באמצעות ויקימדיה Commons / Aldaron)