חוקרים בפקולטה לפיזיקה בטכניון פתרו תעלומה מדעית הנוגעת לשלב קריטי בהיווצרות כוכבי-לכת

בשלבים המוקדמים של היווצרות מערכת שמש, לפני שכוכבי-הלכת נוצרים בה, קיימת סביב השמש הצעירה דיסקת אבק וגז. דיסקה זו מספקת לפלנטות העתידיות את חומר הגלם ליצירתן. לכאורה מדובר בתהליך פשוט שבו נצמדים גרגרי אבק זה לזה ויוצרים גושי חומר ההולכים וגדלים – אבנים, שמהן נוצרים סלעים, המתאגדים לכדי גרמי שמיים קטנים המתנגשים ונצמדים זה לזה עד שנוצר כוכב-לכת שלם.

אולם אליה וקוץ בה: בתאוריית הגדילה המִצְרָפִית האמורה יש צוואר בקבוק בשלב המעבר מאבנים קטנות (בגודל סנטימטר עד מטר) לגרמי שמיים בקוטר קילומטר ויותר. התנאים הפיזיקליים השוררים בדיסקות קדם-פלנטריות כוללים זרימת גז חזקה מאוד הצפויה לשחוק את האבנים האלה ואף לבלום את תנועתן. כאשר תנועתן של האבנים מואטת, הן צפויות להימשך אל מרכז הדיסקה ולהיבלע בשמש. בנוסף לכך, התנגשויות בין אבנים קטנות אינן צפויות להוביל להידבקותן, אלא דווקא להינתזותן זו מזו. במילים אחרות, בפני סלעים קטנים ואבנים ניצב "מחסום המטר" – שלב התפתחותי שבו גודלם המוגבל מפחית את סיכויי ההישרדות והגדילה שלהם.

"המודל הרגיל סובל מצוואר בקבוק משמעותי," אומר פרופ' פרץ, "שכן הוא דורש קפיצת-מדרגה בלתי-סבירה מעל 'עמק המוות' של המעבר מאבק ואבנים לסדר הגודל הקילומטרי. זו הסיבה שאסטרופיזיקאים ברחבי העולם מחפשים הסבר חלופי להתפתחותם של גרמי שמיים גדולים מקילומטר. מרגע שקוטרו של הגוש המתהווה עולה על קילומטר, המודל הקיים עובד היטב – כי בשלב זה העצם מצליח לספוח עצמים קטנים יותר שיהפכו אותו מ'עובר פלנטרי' לפלנטה של ממש. הבעיה היא בשלב שקודם לכך."

המאמר של גרישין ופרופ' פרץ שואב השראה מהדרמה שחולל בשנת 2017 הגוף הבין כוכבי אומואומואה (Oumuamua) – גוף מוארך שחדר למערכת השמש וזוהה בתצפיות שונות. גילויו של עצם זה הוליד השערות רבות ומגוונות, אך דבר אחד היה ברור: הוא הגיע מחוץ למערכת השמש. אומואמואה אימת הערכות מדעיות נושנות לפיהן התווך הבין-כוכבי – החומר שנמצא במרחב שבין מערכות השמש השונות – מלא גושי סלע החגים בו. נהוג להניח כי שיירים כאלה נפלטים ממערכות פלנטריות שונות בשלבים המוקדמים של היווצרותן.

על פי המודל שמציעים החוקרים מהטכניון, אומואמואה ועצמים גדולים ממנו משוטטים בין מערכות שמש שונות, וחלקם נלכדים בדיסקות קדם-פלנטריות של שמשות צעירות. אם ניקח לדוגמה את המקרה הספציפי של כדור-הארץ, הרי שכמו לכל פלנטה בשלביה העובריים, גם לכדור-הארץ קדמה דיסקה קדם-פלנטרית של גז ואבק שסבבה את השמש הצעירה. על פי המודל הזה, דיסקה זו לכדה גוש סלע גדול מפלנטה אחרת וסביבו, בתהליך ממושך, התהווה כדור-הארץ כפי שאנו מכירים אותו כיום.

לסיכום, המפתח לפתרון תעלומת עמק המוות נמצא בעצמים בין-כוכביים המגיעים ממערכות פלנטריות אחרות ומהווים "זרעים" להתפתחותן של פלנטות חדשות. בניסוח פיוטי יותר, מסבירים החוקרים, "שום מערכת פלנטרית אינה אי; מערכות פלנטריות נוצרות מתוך זרעים שהגיעו ממערכות אחרות ומייצרות בהמשך זרעים משלהם, שיישלחו לחלל ויולידו מערכות פלנטריות חדשות."

כדי לאמוד את היתכנותו של המודל החדשני פיתחו החוקרים מודל מתמטי הבוחן את ההסתברות להתרחשות של "זריעה" כזו. הם גילו כי הלכידה הנדרשת של עצמים בדיסקות קדם-פלנטריות אומנם אינה תופעה שכיחה, אבל היא סבירה בהחלט.

למודל החדשני השלכות מעניינות נוספות בהיבט הביולוגי והאבולוציוני. לדברי פרופ' פרץ, "אם אנחנו מבינים שסלעים עשויים לעבור בין מערכות פלנטריות שונות, הרי שיש כאן מודל חדש של פַּנְסְפֶּרְמִיה – מעבר של חיים בין מערכות אלה. כדי ללכוד חומר ביולוגי פעיל, ולאפשר לו לשרוד מסע בין פלנטרי כזה, מספיק סלע שקוטרו כמה סנטימטרים, כך שאם אנחנו מדברים על סלע בקוטר קילומטר, האפשרות שיצליח לשמר חיידקים או חומר ביולוגי אחר אינה מופרכת כלל. פנספרמיה אינה תאוריה חדשה, אבל המודל שלנו מספק הסבר להיתכנותה."

המחקר נתמך על ידי מלגת אירווין וג'ואן ג'ייקובס לסטודנטים מצטיינים לתארים מתקדמים, קרן המדע הלאומית (ISF) ומרכז מינרבה.