מחקר חדש, הנעזר במידע שנאסף על חלקיקי אבק, טוען כי טבעותיו של שבתאי עשויות להיות צעירות משחשבנו. המידע מבוסס על נתונים שאספה חללית המחקר קאסיני, אשר התרסקה על כוכב הלכת בשנת 2017.

משימת קאסיני (Cassini) הייתה מהחשובות והפוריות ביותר בהיסטוריה של עידן החלל. היא נקראה על שמו של ג'ובאני דומניקו קאסיני (Giovanni Domenico Cassini), מתמטיקאי, אסטרונום והנדסאי צרפתי-איטלקי שחי במאה ה-17 [1]. קאסיני ידוע בזכות תרומתו לחקר כוכבי הלכת במערכת השמש. התצפיות והמדידות שערך קידמו את הבנתנו את מערכת השמש, ובפרט שבתאי וטבעותיו. הוא זיהה ארבעה מהירחים הגדולים של שבתאי: טיטאן, דיונה, ריאה ותטיס. בנוסף, בשנת 1675 הוא גילה תופעה אסטרונומית: מעין רווח המפריד בין אזורים שונים בטבעות, רווח ברוחב 4,800 ק״מ הקרוי על שמו. הרווח נוצר על ידי כוח הכבידה של הירח מימס (Mimas), המשפיע על החלקיקים הזעירים שבטבעות.

הדמיה של החללית קאסיני ליד שבתאי וטבעותיו. מקור התמונה: NASA.JPL Caltech

אז מה היה במשימה עצמה? החללית קאסיני שוגרה בשנת 1997 והקיפה את שבתאי בשנים 2017-2004. במהלך המשימה סיפקה החללית נתונים רבים, תובנות ותמונות מרהיבות של כוכב הלכת, האטמוספרה שלו וירחיו. החללית גילתה לנו רבות על המבנה המורכב של טבעות שבתאי ושפכה אור על מקורן ועל הדינמיקה שלהן. היא גם סיפקה תצפיות מפורטות על ירחיו של כוכב הלכת וחשפה תכונות ייחודיות ופעילויות גיאולוגיות. בנוסף, המכשירים של קאסיני חקרו את האטמוספרה של שבתאי וחשפו סערות ודפוסי מזג אוויר מורכבים [2].

המשימה הגיעה לסיומה בספטמבר 2017 עם ריסוק החללית באטמוספרה של שבתאי. הריסוק המכוון נועד למנוע התרסקות לא מבוקרת בשל מחסור בדלק, שהיה עלול לגרום זיהום של אחד הירחים בחיידקים ארציים, שייתכן שהיו בחללית. למרות סיום המשימה מורשתה של קאסיני ממשיכה לחיות, וחוקרים ממשיכים לנתח את הנתונים שהתקבלו ממנה ולהפיק מהם תובנות חדשות על המסתורין של שבתאי וירחיו. דוגמה לכך היא מחקר שהתפרסם לאחרונה, הטוען שהטבעות של שבתאי עשויות להיות צעירות משחשבו בעבר [3] .

איך הגיעו למסקנה זו? בעזרת מנתח האבק הקוסמי (CDA- Cosmic Dust Analyzer), אחד המכשירים המרכזיים בקאסיני, שאסף וחקר חלקיקי אבק בסביבתו של שבתאי [4, 5]. נקרא לו בקיצור המנתח הקוסמי (כי זה שם מגניב).

הטבעות מורכבות מהמון חלקיקים זעירים ממגוון חומרים, והעיקריים הם קרח ואבק. חושבים שהאבק הסורר אצלכם בבית מעצבן? חשבו שאתם צריכים לאתר חלקיקים קטנים להפליא במרחבי החלל העצומים. עד כמה קטנים? קטנים הרבה יותר מעובי שערה אנושית, קטנים אף מתאי דם אדומים. למרות זאת, המנתח הקוסמי מסוגל לזהות אותם בקלות... אולי נקרא לו המנתח הקוסם? הוא היה מצויד בחיישנים משני סוגים: סוג אחד הורכב מגלאים בקצב גבוה (High Rate Detector polarized polyvinylidene fluoride – PVDF), ותוכנן לחקור את הטבעות של שבתאי על ידי מדידת מספר החלקיקים שבהם הוא נתקל, שיכול להגיע עד 10,000 בשנייה. בעזרת מידע זה ניתן להבין את מאפייני הטבעות של שבתאי.

הסוג השני היה מנתח האבק (Dust Analyzer), שכלל כמה רכיבים. בניגוד לגלאים בקצב גבוה, חיישן זה היה מסוגל לספק מידע על חלקיק אחד בלבד בכל שנייה, אך המידע על חלקיק זה היה מפורט מאוד: המטען החשמלי שלו, מהירותו, כיוון תנועתו, מסתו ואף הרכבו הכימי. זה אפשר למדענים לקבל תובנות לגבי חלקיקי האבק הבודדים בחלל ולהבין את המאפיינים הייחודיים שלהם.

כיצד פעל מנתח האבק? דמיינו דלי גדול שנפתח בחלל ואוסף חלקיקי אבק (לא צריך לדמיין, הסתכלו בתמונה: זהו פשוט דלי שבתוכו מותקנים חיישנים רבים). כאשר חלקיק אבק נכנס לדלי, גלאי ייעודי קובע אם הוא נושא מטען חשמלי, ואם כן – מהו. דופנות הדלי מרוצפות גם ברשת חיישנים המודדים את מהירות החלקיק, מידע המתקבל ממדידת הזמן החולף בין מעבר החלקיק על פני חיישן אחד לבין המעבר על פני חיישן אחר. החלק האחרון הוא ספקטרומטר מסות (Mass spectrometer): כשהחלקיק מגיע אל תחתית הדלי הוא מתנגש בה, מה שמוביל לשבירה של החלקיק הזעיר לרכיבים קטנים יותר – אטומים נייטרליים, יונים ואלקטרונים. רכיבים אלו ממוינים לפי השדה החשמלי שלהם ולאחר מכן פוגעים בגלאים שונים, המספקים מידע לגבי היסודות שמהם מורכב חלקיק האבק על ידי השוואה למאגר נתונים.

מנתח האבק. מקור התמונה: NASA.JPL Caltech

באופן גס, ניתן להקביל את פעולת מנתח האבק לאיסוף נתונים לגבי תנועה בכביש: גלאי אחד מספק נתונים כמותיים כלליים – כמה כלי רכב עוברים בקטע כביש מסוים, באיזה אזור יש פקקים, מהן שעות העומס וכדומה; הגלאי השני מספק מידע ממוקד על כלי רכב מסוים – מאיזה סוג הוא (רכב פרטי, משאית, אוטובוס), צבעו, מספר הנוסעים בו, מהירותו וכן הלאה.

הנתונים שנאספו סיפקו למדענים מידע רב: הגדרת התפלגות אבק ומטאורואידים ליד הטבעות, התפלגות הגודל של החומר בטבעות, ניתוח ההרכבים הכימיים של חלקיקי הטבעות ועוד.

במחקר החדש נאמד גילן של הטבעות על ידי הערכת הקצב שבו אבק מצטבר עליהן. יש קשר בין המסה של הטבעת לגילה: ככל שהיא מסיבית יותר, היא מבוגרת יותר. על סמך הנתונים החוקרים מעריכים כי הטבעות נוצרו לפני 400 מיליון שנה לכל היותר, כלומר הן צעירות בהרבה מכוכב הלכת עצמו, שגילו מוערך בכ-4.5 מיליארד שנים (למרות שלדעתנו הוא לא נראה יום מעל ל-3 מיליארד). עם זאת, עדיין אין הסכמה בין החוקרים לגבי גילן המדויק של הטבעות.

מה שמדאיג יותר הוא העובדה שהטבעות צפויות להיעלם לגמרי בעתיד. נתונים אחרים שנאספו במשימת קאסיני הראו שאומנם יש לנו זמן, אבל הטבעות צפויות להיעלם בעוד כ-100 מיליון שנה, פלוס-מינוס. מדוע? כוח הכבידה של שבתאי מושך את הטבעות אל כוכב הלכת בהדרגה, מה שגורם להן לרדת כגשם על האטמוספרה שלו. תהליך זה, המכונה שלא במפתיע "גשם טבעתי", יגרום לספיגת הטבעות באטמוספרה של שבתאי ולאובדנן המוחלט בטווח זמן קצר יחסית (במונחים אסטרונומיים).

קיומו של הגשם הטבעתי היה ידוע לפני כן, אך לקאסיני היה תפקיד מכריע בגילוי מנגנון נוסף שגורם לתהליך, הודות לתצפיות ולנתונים שהתקבלו ממנה: תמונות מפורטות, מדידת הרכב חלקיקי הטבעת ונתונים לגבי השדה המגנטי והאטמוספרה של כוכב הלכת עצמו. כל אלו אפשרו למדענים לנתח את התנהגות הטבעות ולהבין טוב יותר את הדינמיקה שלהן ואת האינטראקציה של חלקיקי המים הטעונים מהטבעות עם השדה המגנטי של כוכב הלכת. כך הם הצליחו להבין טוב יותר את תופעת הגשם הטבעתי ואת הגורמים לה [6].

לסיכום, משימת קאסיני הרחיבה את גבולות המחקר המדעי על מערכת השמש בכלל ושבתאי בפרט, והיא עדות נוספת לכושר ההמצאה האנושי ולרעב לידע, שאינו יודע שובע. התוצאות והמחקרים שממשיכים להתפרסם גם שנים לאחר סיום המשימה בפועל, הם דוגמה להישגים יוצאי הדופן שאנו יכולים להשיג כאשר אנו מעזים להגיע לכוכבים. במקרה זה למדנו שגם אבק יכול לסייע לנו לחקור את החלל. אנו מקווים שטבעותיו היפות של שבתאי יישארו בסביבה עוד זמן רב, ללא קשר לגיל שלהן.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1] על ג'ובאני קאסיני

[2] על משימת קאסיני

[3] המאמר ב-Science Advances

[4] מנתח האבק

[5] מנתח אבק – מידע טכני מפורט

[6] על היעלמות הטבעות