הגז שנעלם עלול לעצור את לידתם של ענקי הגז

חומר הגלם שממנו עשוי להיווצר ענק גז אינו נשאר בסביבה לנצח. כוכבים צעירים מוקפים בדיסקות מסתובבות של גז ואבק — מעין מאגרי חומר שמהם נוצרים כוכבי לכת. אולם סילונים, רוחות, נפילה של חומר אל הכוכב עצמו וקרינה מהכוכב הולכים ומדלדלים את הדיסקות הללו.

סקר של טלסקופ החלל ג׳יימס וב, בהובלת נמאן בג׳אג׳ מאוניברסיטת אריזונה, הופך את התהליך הזה למעין ציר זמן אבולוציוני. החוקרים השתמשו בתצפיות ארכיוניות של מכשיר האינפרה־אדום הבינוני של הטלסקופ, MIRI, ובחנו 72 דיסקות נטויות — רובן מסוג Class II — סביב כוכבים צעירים הדומים לשמש. התוצאות, שפורסמו ב-The Astronomical Journal, מראות שהאופן שבו הדיסקות מאבדות את הגז שלהן משתנה במהלך התפתחותן. 12

הממצא המרכזי: הליבות צריכות לנצח את התפזרות הדיסקה

ליבה סלעית יכולה להפוך לענק גז רק אם תצליח ללכוד מעטפת גדולה של מימן והליום בזמן שבדיסקה הסובבת עדיין יש מספיק גז. אם הדיסקה מתפזרת קודם, הליבה עשויה להישאר ככוכב לכת סלעי — או להפוך לכוכב לכת קטן יותר, שמכיל מעט גז.

לכן המחקר מתאר את היווצרותם של ענקי גז כמרוץ בין שני תהליכים: צמיחה מהירה של מעטפת גזית סביב הליבה, ופיזורו של מאגר הגז שמזין אותה. 12

הדבר חשוב במיוחד כשחושבים על כוכבי לכת כמו צדק. הסקר אינו יכול לקבוע מתי בדיוק נוצר צדק, אך הוא מחזק את הדרישה הבסיסית: הליבה של צדק והאטמוספרה העצומה שלו היו חייבות להיבנות בזמן שמערכת השמש הצעירה עדיין החזיקה דיסקה עשירה בגז. 12

מה זיהה וב ב-72 הדיסקות

החוקרים השתמשו בפליטת אינפרה־אדום ממולקולות ומאטומים כדי לעקוב אחר חומר שנפלט מהדיסקות. פליטה מורחבת של מימן מולקולרי או ניאון מיונן זוהתה ב-66 מתוך 72 המערכות. הצוות זיהה:

• 46 רוחות חרוטיות של מימן מולקולרי, המצביעות על זרימות רחבות יחסית של חומר מהדיסקה.
• 40 סילונים מהירים של ניאון מיונן, המצביעים על זרימות מהירות וממוקדות יותר.

בכל מערכת שבה זוהה סילון של ניאון מיונן נמצאו גם עדויות לרוח רחבה יותר. ברוב המקרים הרוח זוהתה באמצעות מימן מולקולרי; ביתר המקרים היא זוהתה באמצעות חמצן אטומי. השילוב הזה קושר בין הסילון הצר והמהיר לבין תהליך רחב יותר, שיכול להוציא גז מסביבת היווצרות כוכבי הלכת. 2

המדגם אינו תיעוד רציף של מערכת אחת, מלידתה ועד התבגרותה. 72 הדיסקות מייצגות מערכות הנמצאות בשלבים שונים של ההתפתחות המוקדמת. השוואה ביניהן מאפשרת לחוקרים לבנות רצף אבולוציוני — סדרה של תמונות סטילס שבאמצעותה אפשר לשחזר כיצד משתנה פינוי הדיסקה לאורך הזמן. 12

פינוי הגז משתנה ככל שהמערכת מתבגרת

הדפוס שנמצא מתאים לשני שלבים מרכזיים של פינוי, הפועלים בזה אחר זה במהלך מיליוני השנים הראשונים בחייה של מערכת פלנטרית. 1

השלב המוקדם: סילונים מגנטיים ורוחות מולקולריות

במערכות שבהן קצב הספיחה של החומר אל הכוכב היה גבוה יותר, החוקרים נטו למצוא סילונים ורוחות מולקולריות. הקשר הזה מתאים לשלב מוקדם שבו סילונים ורוחות מגנטו־הידרודינמיים — כלומר מונעים באמצעות שדות מגנטיים — ממלאים תפקיד מרכזי בהרחקת חומר מהדיסקה. הזרימות יכולות לסחוב גז החוצה בזמן שהדיסקה עדיין מזינה באופן פעיל את הכוכב הצעיר. 12

עבור ליבה פלנטרית שנמצאת בתהליך גדילה, זהו החלק המסוכן במרוץ: הדיסקה עדיין מכילה שפע גז, אך אותה סביבה פעילה כבר מתחילה לרוקן את המאגר.

השלב המאוחר: סילונים חלשים יותר ואובדן המונע מקרינה

ככל שקצב הספיחה יורד, הסילונים נחלשים ועקבות הרוחות המולקולריות החמות יותר דועכים תחילה. הזרימות שנותרות נעשות אטומיות יותר ויותר. החוקרים מפרשים את המצב המאוחר הזה כשלב שבו קרינת הכוכב — ובכלל זה אידוי פוטוני, או פוטואידוי — נעשית חשובה יותר בפינוי הדיסקה הדלילה. 12

אין פירוש הדבר שמנגנון אחד מפסיק לפתע ומנגנון אחר נכנס לפעולה. המשמעות היא שהחשיבות היחסית של מנגנוני הפינוי משתנה ככל שמערכת הכוכב והדיסקה מתפתחת. המעבר שנצפה מסייע להגביל את השלב שבו מתרחש השינוי, אף שהנתונים הקיימים עדיין אינם מספקים את מאזן המסה המלא של כל רוח. 12

מדוע במערכות מסוימות נוצרים ענקי גז ובאחרות לא

הממצאים מציעים הסבר פיזיקלי לאופן שבו מערכות צעירות הדומות זו לזו עשויות להתפתח למערכות פלנטריות שונות מאוד. מערכת אחת עשויה ליצור ענק גז אם ליבה תצבור מסה מספקת מוקדם מספיק ותתחיל ללכוד במהירות מעטפת גזית. במערכת אחרת, חלק גדול מהגז עשוי להיעלם לפני שהליבה תגיע לסף הזה.

בין הגורמים שעשויים להשפיע על התוצאה נמצאים מסת הדיסקה, קצב גדילת הליבה, היסטוריית הספיחה של הכוכב, עוצמת הזרימות המגנטיות ורמת הקרינה האנרגטית של הכוכב. הסקר תומך ברעיון שפיזור הדיסקה באמצעות רוחות הוא חלק חשוב מהשונות בין המערכות — אך אינו טוען שזהו הגורם היחיד שקובע אם ייווצר ענק גז. 2

הממצאים גם מציבים את מערכת השמש בהקשר רחב יותר. מערכת השמש בת כ-4.6 מיליארד שנים, והדיסקה המקורית שבה נוצרו כוכבי הלכת נעלמה לפני זמן רב. כוכבי הלכת שאנו רואים כיום הם אפוא תוצאה של תחרות קצרה שהתרחשה בראשית הדרך: בין גדילת כוכבי הלכת, נפילת חומר אל השמש הצעירה ואובדן גז באמצעות סילונים, רוחות וקרינה. 12

מה החוקרים רוצים למדוד בהמשך

זיהוי סוגי הזרימות המופיעים בשלבים שונים של ההתפתחות הוא צעד חשוב, אך עצם הופעתן אינו מגלה אם הן הוציאו מספיק גז כדי להשפיע בפועל על היווצרות כוכבי הלכת. בשלב הבא מתכנן הצוות למדוד את קצב אובדן המסה של כל רוח, ולזהות באילו רדיוסים בדיסקה הזרימות מתחילות. 12

מדידות כאלה יוכלו לקשר בין החתימות באינפרה־אדום לבין שאלה כמותית יותר: האם הזרימות שנצפו מסוגלות לסלק את גז הדיסקה במהירות מספקת כדי לשנות את הסיכוי להיווצרותו של כוכב לכת דמוי צדק? התשובה תסייע לקבוע אם הרצף האבולוציוני שהוצע הוא רק תמונה משכנעת של התהליך — או מדידה ישירה של האופן שבו פיזור הדיסקה מעצב את המבנה הסופי של מערכות פלנטריות.