תיאוריות על היווצרות אסטרואידים ושביטים

תיאוריות על היווצרות אסטרואידים ושביטים

אסטרואידים ושביטים הם שני סוגים של גופים שמימיים קטנים שמעניינים אסטרונומים זה מכבר. לעתים קרובות הם מכונים "שאריות" מהיווצרות מערכת השמש מכיוון שהם נוצרו מוקדם מאוד בשמש וכוכבי הלכת רק החלו להיווצר. בעוד ששניהם קטנים בהרבה מכוכבי הלכת, אסטרואידים ושביטים נבדלים באופן ניכר בהרכבם, במיקומם ובהתנהגותם כשהם מתקרבים לשמש. אסטרואידים נוטים להיות סלעיים או עשירים במתכות ונמצאים בעיקר בחגורת האסטרואידים בין מאדים לצדק, בעוד שביטים עשירים בקרח ואבק ומקורם בדרך כלל בשוליים הרחוקים של מערכת השמש. מאמר זה בוחן את התיאוריות המובילות לגבי אופן היווצרותם של אסטרואידים ושביטים, החל מהתהליכים הבסיסיים של היווצרות פלנטרסימלית ועד לתפקיד כוח המשיכה של ענק הגזים והדינמיקה של מערכת השמש הקדומה.

רקע: ערפילית השמש ולידתם של עצמים קטנים

התיאוריה המקובלת ביותר לגבי מקור מערכת השמש היא תיאוריית ערפילית השמש. לפני כ-4,6 מיליארד שנים, ענן ענק של גז ואבק קרס תחת כוח הכבידה, ויצר דיסק מסתובב הנקרא דיסק קדם-פלנטרי. במרכז הדיסק, חומר התרכז ויצר את השמש. כלפי חוץ, חלקיקי אבק מיקרוסקופיים החלו להתנגש ולהידבק זה לזה באמצעות כוחות אלקטרוסטטיים, ויצרו גרגירים גדולים יותר. תהליך זה המשיך לחלוקי נחל, סלעים, ולאחר מכן לעצמים בגודל קילומטר הנקראים פלנטסימלים. אסטרואידים ושביטים הם למעשה פלנטסימלים שמעולם לא התלכדו במלואם לכדי כוכבי לכת.

עם זאת, הפרטים כיצד אבק יכול "לקפוץ" מפלנטסימלים קטנים לגדולים הם שאלה מכרעת באסטרונומיה המודרנית. רעיון משכנע אחד הוא חוסר יציבות בזרימה, מצב שבו חלקיקים צפופים מרוכזים בזרם גז דיסקתי, מה שגורם לכוח המשיכה המקומי לקרוס לפלנטסימלים במהירות יחסית. מנגנון זה יוצר אוכלוסייה ראשונית של עצמים קטנים שמתפתחים מאוחר יותר לאסטרואידים ולשביטים.

תיאוריות של היווצרות אסטרואידים: שרידי היווצרות כוכבי לכת והשפעת צדק

אסטרואידים נמצאים בדרך כלל בחגורת האסטרואידים הראשית בין מאדים לצדק. מדוע אזור זה לא הפך לכוכבי לכת? התיאוריה הקלאסית מציעה שבאזור זה, חומר צפוף היה אמור ליצור כוכבי לכת קטנים, אך תהליך הצבירה הופרע על ידי הפרעה כבידתית של צדק.

1) תיאוריית "כוכבי הלכת הכושלים"
בתיאוריה זו, חגורת האסטרואידים נחשבת לאוסף של פלנטסימלים שמעולם לא הפכו לכוכבי לכת מכיוון ש:
– התהודה הכבידתית של צדק מגבירה את מסלוליהם של עצמים קטנים, מה שמגביר את מהירות ההתנגשויות.
– התנגשויות במהירות גבוהה נוטות להרוס עצמים (פרגמנטציה), במקום לאחד אותם (צבירה).
כתוצאה מכך, נוצרה אוכלוסייה של שברי סלע ומתכת ששרדה כאסטרואידים עד היום.

תיאוריה זו נתמכת על ידי העובדה שכמה תהודות מסלוליות בחגורת האסטרואידים יוצרות "פערים" (פערי קירקווד), שהם אזורים ריקים יחסית עקב מסלולים לא יציבים.

2) תיאוריית האבולוציה הקוליזיונית (התנגשות ופרגמנטציה)
האסטרואידים שאנו רואים כיום אינם זהים לפלנטסימלים המוקדמים. אסטרואידים רבים הם תוצאה של פגיעות גדולות שניפצו עצמים ישנים יותר. בתוך חגורת האסטרואידים נמצאות "משפחות אסטרואידים", קבוצות של אסטרואידים בעלי מסלולים והרכבים דומים, שנחשבים כצאצאים של גוף אב יחיד ומתפורר. תיאוריה זו מסבירה מדוע ישנם כל כך הרבה אסטרואידים קטנים ומדוע צורותיהם לרוב לא סדירות.

התנגשויות קשורות גם להבדלים פנימיים. חלק מהאסטרואידים הגדולים מראים עדויות לחימום והתמיינות (יצירת ליבה ומעטפת), ככל הנראה עקב דעיכה רדיואקטיבית קצרת מועד במערכת השמש הקדומה. כאשר גוף האם מתפרק, השברים הנותרים יכולים להציג שינויים בהרכב: חלקם "סלעיים" יותר, אחרים "מתכתיים" יותר.

3) תיאוריית נדידת פלנטרים (מודל נייס וגרנד טאק)
בעשורים האחרונים, תיאוריות על היווצרות וארגון מחדש של מסלולי כוכבי לכת ענקיים הפכו חשובות יותר ויותר. שני רעיונות המדוברים לעתים קרובות הם:

– מודל ניס: קובע כי כוכבי לכת ענקיים עברו שינויים מסלוליים בהיסטוריה המוקדמת שלהם. שינויים אלה יכלו לפזר עצמים קטנים, לערבב חומר מהאזורים הפנימיים והחיצוניים, ולהעביר עצמים לחגורת האסטרואידים.
– גרנד טאק: מצביע על כך שייתכן שצדק התקרב לשמש ואז חזר החוצה. תנועה זו יכלה "לרוקן" ואז "למלא מחדש" את חגורת האסטרואידים בתערובת של אסטרואידים מהאזורים הפנימיים (היבשים יותר) והחיצוניים (העשירים יותר בחומרים נדיפים).

תיאוריית הנדידה מסייעת להסביר מדוע לחגורת האסטרואידים יש סוגים כה מגוונים: אסטרואידים מסוג S (סלעיים יותר) דומיננטיים בחלק הפנימי של החגורה, בעוד שאסטרואידים מסוג C (עשירים יותר בפחמן ובחומרים נדיפים) נמצאים בשפע רב יותר בחלק החיצוני.

תיאוריית היווצרות שביטים: עצמים קפואים מאזורים קרים של מערכת השמש

שביטים שונים מאסטרואידים בעיקר בגלל הרכבם: שביטים עשירים בקרח מים, קרח פחמן דו-חמצני, פחמן חד-חמצני, מתאן ואבק. שביטים הופכים לפעילים כשהם מתקרבים לשמש, כאשר הקרח מתעבה ויוצר תרדמת וזנב.

1) תיאוריית היווצרות מחוץ ל"קו השלג"
בתוך הדיסקה הפרוטופלנטרית, ישנו גבול מכריע הנקרא קו השלג, המרחק מהשמש שבו הטמפרטורות נמוכות מספיק כדי שמים וחומרים נדיפים אחרים יקפאו. מעבר לקו השלג, החומר שממנו נוצרו פלנטסימלים הכיל קרח רב, וכתוצאה מכך נוצרו עצמים עשירים בקרח - קודמיהם של שביטים. לכן, שביטים נחשבים ל"מאובנים קפואים" המשמרים את התיעוד הכימי של מערכת השמש הקדומה.

2) מקורות של שביטים: חגורת קויפר וענן אורט
באופן כללי, שביטים מחולקים לשניים בהתאם לתקופת המסלול שלהם:

– מאמינים כי שביטים קצרי-מחזור (בדרך כלל <200 שנה) מקורם בחגורת קויפר ובאזור הדיסקה המפוזרת שמעבר לנפטון. עצמים בחגורת קויפר יכולים להיות מופרעים על ידי נפטון, ולאחר מכן להיכנס למסלולים שמקרבים אותם לשמש. - מאמינים כי שביטים ארוכי-מחזור (אלפי עד מיליוני שנים) מקורם בענן אורט, מאגר רחוק מאוד, כמעט כדורי, של גופים קרחוניים המקיפים את מערכת השמש. עצמים בענן אורט יכולים "להיזרק" אל תוך מערכת השמש הפנימית על ידי הפרעות גאות ושפל או על ידי כוכבים חולפים. תיאוריות על היווצרות ענן אורט כרוכות בדרך כלל בתהליך פיזור: בימים הראשונים, כוכבי לכת ענקיים זרקו פלנטסימלים עשירים בקרח רבים למסלולים רחוקים מאוד. חלקם נשארו קשורים באופן רופף לשמש והפכו לענן אורט.

3) תפקידן של התנגשויות ועיבוד תרמי למרות ששביטים נחשבים לעתים קרובות "פרימיטיביים", הם גם התפתחו. באזורים מולדתם, התנגשויות בין גופי קרח ממשיכות להתרחש, ויוצרות שביטים כעצמים נקבוביים (ערימות הריסות) או סלעים מעורבים. יתר על כן, ככל ששביטים מתקרבים שוב ושוב לשמש, פני השטח שלהם יכולים לפתח קרום כהה מהאבק שנותר לאחר שהקרח מתעבה. בסופו של דבר, שביטים יכולים לאבד את החומרים הנדיפים שלהם, להפוך ללא פעילים ולהיות דומים לאסטרואידים - עצמים כאלה נקראים לפעמים שביטים מתים. הקשר בין אסטרואידים לשביטים: גבול שאינו תמיד ברור בעוד שההבחנה בין השניים ברורה בדרך כלל, הגבול בין אסטרואידים לשביטים אינו תמיד מוחלט. ישנם עצמים כמו אסטרואידים פעילים או שביטים בחגורת האסטרואידים הראשית, גופים בחגורת האסטרואידים המפגינים פעילות דמוית שביט. זה מעלה מספר אפשרויות: - קרח לכוד נשאר בתוך אסטרואידים מסוימים. - פעילות הנגרמת על ידי התנגשויות הפורצות את השכבות הבסיסיות. - תהליכים אחרים כמו סיבוב מהיר הפולטים אבק מפני השטח. תופעות אלו תומכות ברעיון שמערכת השמש הקדומה הייתה תערובת של חומרים, וכי "סלע" ו"קרח" לא היו מופרדים לחלוטין. מסקנה תיאוריות על היווצרות אסטרואידים ושביטים מושרשת בהיווצרות מערכת השמש מערפילית השמש: אבק וגז יצרו פלנטסימלים, שחלקם הפכו מאוחר יותר לכוכבי לכת, בעוד שאחרים נותרו כגופים קטנים יותר. אסטרואידים נחשבים לשרידים של חומר סלעי ומתכתי שהצטברותו הופרעה, בעיקר על ידי השפעת הכבידה של צדק, ועוצבה מחדש על ידי התנגשויות ונדידה של כוכבי לכת. שביטים נוצרו באזורים הקרים מעבר לקו השלג, עשירים בקרח וחומרים נדיפים, ולאחר מכן הושקעו בחגורת קויפר ובענן אורט לפני שחלקם נכנסו למערכת השמש הפנימית. מחקר מודרני - מתצפיות טלסקופ ועד משימות חלל - ממשיך להעשיר תיאוריות אלו ומדגים שהדינמיקה של מערכת השמש הקדומה הייתה מורכבת הרבה יותר, מלאה בנדידה וערבוב, ממה שדמיינו בעבר. אם אסטרואידים ושביטים הם "ארכיון קוסמי", אז הבנתם פירושה קריאה מחדש של הפרקים הראשונים בהיסטוריה של הסביבה שבה נוצר כדור הארץ.