אסטרואידים כפולים

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
האסטרואיד 243 אידה וירחו דקטיל (מימין) כפי שצולם ע"י החללית גלילאו

אסטרואידים כפולים (באנגלית: Binary Asteroids) הם שניים או יותר אסטרואידים שמסתובבים סביב מרכז כובד משותף. באזורים שונים במערכת השמש מוכרים כיום למעלה מ-180 אסטרואידים כפולים. מחקר של אסטרואידים כפולים מלמד אותנו רבות אודות התהליכים הדינמיים המתרחשים כל העת במערכת השמש. גופים כפולים קימיים גם בחגורת קייפר.

רקע

ב-1989 פרסם ד"ר וויליאם מרלין מאמר בשם "האם לאסטרואידים יש ירחים?". במאמר הוא דן בתכונות אפשריות לאסטרואידים עם ירחים, דרכי היווצרותם, לכידתם במסלול סביב האסטרואיד האב, וכיצד ניתן לגלותם. שנות ה-90 היו פוריות מאד בחקר האסטרואידים וב-2002 פרסם החוקר מאמר נוסף תחת הכותרת: "לאסטרואידים יש ירחים!".

ואכן, מאז 1993, עת צילמה החללית גלילאו תמונת תקריב של האסטרואיד "אידה" ולידו ירח קטן, שכונה בשם "דקטיל", נצפו עוד ועוד אסטרואידים עם לוויינים. ירחים אלו התגלו במקומות שונים במערכת השמש, במסלולים שונים סביב אסטרואיד-האב שלהם ובשלל צורות וגדלים. במהרה, הסתבר לאסטרונומים כי המונח "לוויינים" עלול להטעות וכי חלק מהלוויינים הינם גדולים כמו האסטרואידים עצמם. על-כן מכונים כיום מערכות של אסטרואידים בשם הכולל "אסטרואידים כפולים", כאשר לווייני אסטרואידים הינם סעיף משנה של הגדרה זו. גופים כפולים נמצאו במספר גדולים לא רק בחגורת האסטרואידים כי אם גם בחגורת קייפר.

אסטרואידים כפולים אינם אך ורק תופעה נאה ומעניינת של הטבע, אלא גם חשובים במחקר המדעי של מערכת השמש. תצפית באסטרואידים כפולים יכולה לספק נתונים אודות גודלם, מסתם והרכבם בצורה מדויקת הרבה יותר מאשר תצפית זהה באסטרואידים בודדים. זמני הסיבוב של אסטרואידים כפולים, ציר הסיבוב שלהם וצורתם, מלמדים אודות ההיסטוריה של כלל האסטרואידים ועל תהליכים פיסיקלים הפועלים על האסטרואידים ומשנים אותם עם הזמן (לדוגמא: תופעת YORP). בנוסף, אסטרואידים אלו פותרים חידה ישנה על מקורם של מכתשים כפולים על פני כדור הארץ.

שיטות לגילוי אסטרואידים כפולים

גם האסטרואידים הגדולים ביותר, שקוטרם מגיע לכדי כמה מאות קילומטרים נראים כדיסקה זעירה בלבד, ועל-כן צילום נאה של ירח אסטרואידלי זעיר הסובב סביב שותף גדול יותר, כדוגמת תמונתם של האסטרואידים אידה ודקטיל הנראית למעלה, היא קשה בעזרת הציוד הטכני המשמש את האסטרונומים כיום בתצפיות קרקעיות. ובכל זאת, האסטרונומים למדו לנצל את הכלים שברשותם על מנת להסיק על קיומו של אסטרואיד כפול. הדרכים השונות, יתרונותיהן וחסרונותיהן מתוארות להלן:

תצפיות בכושר הפרדה גבוה

האסטרואיד הכפול יוג'יניה (Eugenia) וירחו "הנסיך הקטן" (Petit-Prince), משמאל למעלה, כפי שצולמו בתצפית בכושר הפרדה גבוה מטלסקופ הצרפתי-קנדי בהוואי ב-1998 ע"י וויליאם מרלין ועמיתיו.

האסטרואיד הכפול סליביה (Sylvia) וירחיו רמוס ורומולוס, כפי שצולמו בתצפית בכושר הפרדה גבוה מהטלסקופ הגדול בפסגת פראנאל בצ'ילה ב-2004 ע"י פרנק מרצ'יס ועמיתיו.

זיהוי בעזרת תצפית בכושר הפרדה גבוה – טלסקופים המצוידים באופטיקה מסתגלת (דוגמת הטלסקופ קק שבהוואי שקוטר המראה שלו עשרה מטרים), יכולים לזהות אסטרואידים כפולים ע"י תצפיות ברמת הפרדה (רזולוציה) גבוהה. רמת הפרדה גבוהה מספיק מתאפשרת רק ע"י סילוק ההפרעות האטמוספריות, שמורחות את דמויות הכוכבים (ראו: ראות אסטרונומית). מיכשור תצפיתי מיוחד המכונה "אופטיקה מסתגלת" (Adaptive optics), המצוי במצפי כוכבים מעטים בלבד, או לחילופין שימוש בטלסקופים חלליים שמעבר לאטמוספרה דוגמת האבל, מאפשרים זיהוי ודאי של ירחי אסטרואידים. המגבלות על תצפיות אלו הן רבות: ניתן לזהות רק ירחים גדולים מספיק, שמרחקם מאסטרואיד-האב גדול מספיק, כך שאורם לא "נבלע" באור שלו. גם בהירותם צריכה להיות מספיק גדולה, דבר התלוי בגודלם וגם במרחקם מהארץ ומהשמש. אסטרואידים מעטים עונים על דרישות אלו ורובם נמצאים בחגורת האסטרואידים, אותה רצועה צפופה יחסית הנמצאת בין כוכבי הלכת מאדים וצדק. בעזרת תצפיות אלו, למשל, התגלה אופיים הכפול של האסטרואידים יוג'יניה ((45) Eugenia) וירחו "הנסיך הקטן" (Petit-Prince). הצמד, השייך לקבוצת אסטרואידים הנמצאת בגבולה החיצוני של חגורת האסטרואידים, גדול מספיק בכדי שאפשר יהיה לזהותו, אם כי יחס הקטרים (קוטר הגוף הראשי Dp חלקי קוטר הגוף המשני Ds) בין השניים גדול למדי (Dp/Ds = 17) - יוג'יניה הינו אסטרואיד גדול שקוטרו 215 ק"מ, בעוד קוטרו של "הנסיך הקטן" הוא כ-13 ק"מ בלבד (וכפי שנראה בהמשך, גם זה לא מעט). ירחו של האסטרואיד אנטיופי ((90) Antiope), לעומת זאת, גדול כמעט כמו הגוף הראשי, כך שיש צדק רב יותר לכנותו אסטרואיד כפול.

את סילביה ((87) Sylvia), עוד אסטרואיד גדול מחגורת האסטרואידים, יש צורך לכנות בשם מערכת של אסטרואידים. לסילביה שני ירחים קטנים, שזכו לשאת שמותיהם של רמוס ורמולוס, צמד האחים שהקים את רומא וילדיה של סילביה מהמיתולוגיה הרומאית. אסטרואידים כפולים נוספים ימשיכו להתגלות בעזרת תמונות עם הפרדה גבוהה, בעיקר בחגורת האסטרואידים ובחגורת קייפר, אודות למיכשור חדיש יותר, וזמן תצפית רב יותר שיועבר לצופי האסטרואידים.

תצפיות מכ"מ

האסטרואיד הכפול 1999KW4, כפי שצולם בעזרת טלסקופ הרדיו גולדסטון ב-2001 ע"י סטיב אוסטרו ועמיתיו.

תצפיות מכ"מ אינטרפרומטריות של אסטרואידים החולפים בסמוך לכדור הארץ (גופים קרובי ארץ) מאפשרות הפרדה זוויתית גבוהה של אסטרואידים. על-כן תצפית ברדיו חושפת את תווי פניהם של אסטרואידים ומאפשרת לזהות אם מדובר בגוף כפול. גם לשיטה זו מגבלות רבות: ניתן לצפות רק באסטרואידים קרובים במיוחד (גלי הרדיו משודרים אל האסטרואיד והגלים המוחזרים ממנו נמדדים – כלומר, עוצמת גלי הרדיו המוחזרת דועכת מתכונתית הפוך לחזקה הרביעית של העוצמה ששודרה...), שמרחקם לגוף המשני דווקא קטן יחסית. בדרך זו נצפו אסטרואידים קרובי ארץ כפולים רבים כמו 1999 KW4, 1998 ST27, או 2000 DP107. מצפי הכוכבים גולדסטון ואריסיבו (המצפה המפורסם מקוסטה ריקה שכיכב בסרטים "מגע" ו-"ג'יימס בונד") משמשים חוקרי אסטרואידים רבים לתצפיות מעין אלו. על-אף ששיטה זו מדויקת ומאפשרת תוצאות ודאיות, היא מאפשרת למידה על קבוצה מצומצמת יחסית של גופים שניתן לצפות בה בזמן מצומצם עוד יותר, ועל-כן היא איננה יכולה לגלות אסטרואידים כפולים רבים.

תצפיות פוטומטריות

זיהוי בעזרת תצפית פוטומטרית – פוטומטריה הינה מדידת עוצמת האור. כאשר מודדים את עוצמת האור ("עקומת אור") המגיע מהאסטרואידים מתברר כי בהירותם עולה ויורדת כפונקציה של הזמן במחזוריות קבועה. מחזוריות זו מייצגת את זמן הסיבוב של האסטרואיד סביב צירו. בגלל הסיבוב, ובגלל צורתו האליפטית של האסטרואיד, גודלו של שטח הפנים שמופנה אל הצופה משתנה ומכאן השינוי המחזורי בבהירות. כאשר מדובר באסטרואיד כפול, "עקומת האור" תהיה מורכבת משני מחזורים – המייצגים את זמני הסיבוב של שני מרכיבי הגוף – במידה והם וזמן הסיבוב שלהם איננו שווה. במידה ומישור התנועה של רכיבי האסטרואיד הכפול מתלכדים עם קו הראייה מהארץ, הרי שיתקבלו הסתרות וליקויים של רכיב אחד ע"י השני. במקרה זה תתווסף מחזוריות שלישית לעקומת האור המייצגת את זמן ההקפה של רכיבי האסטרואיד סביב מרכז הכובד המשותף. מתוך העקומה ניתן להפריד את המחזורים השונים וללמוד על פרמטרים שונים של האסטרואיד הכפול – זמני סיבוב, גודל יחסי האחד לשני, צפיפות ועוד. תצפיות פוטומטריות הן קלות יחסית ואפשריות ללא ציוד מיוחד כמו טלסקופי חלל או אופטיקה מסתגלת ועל-כן שיטה זו היא מוצלחת במיוחד לזיהוי אסטרואידים כפולים.

ליקויים של כוכבים

כאשר אסטרואיד עובר על קו הראייה ביננו ובין כוכב מרוחק, עוצמת אורו של הכוכב תרד לפתע. במידה ולאסטרואיד בן זוג אנו עשויים להבחין בשתי ירידות בעוצמת אור הכוכב. האחת כתוצאה ע"י האסטרואיד הגדול והשנייה כתוצאה מהסתרה של האסטרואיד הקטן את הכוכב.

ראו גם: התכסויות כוכבים בכוכבי לכת והתכסויות כוכבים באסטרואידים.

צילום מחלליות

תמונות של אסטרואידים שצולמו מקרוב ע"י חלליות, הן העדויות המשכנעות ביותר, דוגמת המקרה של האסטרואיד (243) Ida וירחו Dactyl שצולמה ע"י החללית גלילאו ב-1993 (ראו תמונה בראש הדף).


מספרם של האסטרואידים הכפולים במערכת השמש

כיום (דצמבר 2009) מוכרים במערכת השמש 181 אסטרואידים כפולים:

מספר אסטרואידים כפולים לפי קבוצות
קבוצה מספר אחוז מסך הכל
חגורת האסטרואידים (MBAs) 77 0.02%
גופים מעבר לנפטון (TNOs) 63 5.73%
אסטרואידים קרובי ארץ (NEAs) 37 0.56%
טרויאנים של צדק 4 0.11%

יש לזכור שהנתונים לא מייצגים את מספרם האמיתי של האסטרואידים הכפולים והם מוטים בגלל שיטות הגילוי השונות.

זמני סיבוב של אסטרואידים כפולים

התפלגויות הסיבוב של אסטרואידים כפולים מלמדות על המבנה שלהם, תהליך היווצרותם וההתפתחות שלהם. לרוב האסטרואידים הכפולים המוכרים בחגורת האסטרואידים ובמערכת השמש הפנימית (NEOs), סיבוב מהיר יחסית של הרכיב הגדול (Primary) - בין 2 לכ-4 שעות. לאסטרואידים אלו מרחק קצר בין הרכיב הגדול לרכיב הקטן (Secondary) העומד על בין ק"מ אחד ל-10 ק"מ. ההנחה כיום היא שאסטרואידים כפולים אלו הם בעלי מבנה מנותץ ושבור המכונה ערמת חצץ. כאשר מהירות הסיבוב שלהם גברה בגלל תופעת YORP הכוח הצנטרפוגלי התגבר על כוח הכבידה המחזיק את "הערמה" וחלקים מן האסטרואיד נזרקו החוצה. רכיב כזה, או מספר רכיבים שהצטברו יחדיו, נותרו במסלול קרוב סביב האסטרואיד שהפך לאסטרואיד כפול.

לאסטרואידים כפולים אחרים, שהרכיב הגדול שלהם סובב בקצב איטי יותר (4 עד 10 שעות), מרחק גדול בין שני הרכיבים (100 עד 1,000 ק"מ). אסטרואידים אלו הינם גדולים יותר מהכפולים מהירי הסיבוב, וייתכן שהם נוצרו בעקבות התנגשויות או ע"י מכניזמים דינמיים אחרים.

לאסטרואידים כפולים אחרים בחגורת האסטרואידים ובחגורת קייפר ישנה תנועה מסונכרנת, כלומר הרכיב הגדול והרכיב הקטן סובבים סביב צירם באותו הקצב שבו הלוויין מקיף את הרכיב הגדול. פלוטו וירחו כארון, למשל, סובבים בקצב של 6.387 ימים סביב צירם והאחד סביב השני. סינכרון של מערכת כפולה הוא פונקציה של כוחות הגאות המפעילים הגופים זה על זה והיכולת של הגוף לשנות את צורתו ולהגיב לכוחות הגאות. אסטרואידים עם מבנה של ערמת חצץ יכולים בנקל (יחסית) לשנות את צורתם ולהיכנס למצב של סינכרון הסיבוב. על-כן, נראה שגילם של גופים אלו כאסטרואידים כפולים ארוך יותר מאסטרואידים כפולים מהירי סיבוב שהם "צעירים" יחסית.

כיצד נוצרים אסטרואידים כפולים

הבעייה המרכזית בהיווצרותם של אסטרואידים כפולים היא הקושי לשני גופים להיכנס ולהשאר במסלול יציב סביב נקודת שיווי המשקל. אסטרואיד בודד שנע בשדה הכבידה של אסטרואיד אחר לא בנקל יכלא במסלול סביבו בגלל המסה הנמוכה של גופים אלו יחסית לעודף באנרגיה מסלולית שבקלות יחסית תוציא את הלווין ממסלול סביב הגוף הגדול. מודל המסביר את היווצרותם של אסטרואידים כפולים ידרש "להעלים" את העודף באנרגיה כזו. על-כן, כיום מקובלים מספר מודלים להווצרות אסטרואידים כפולים המתאימים למצבים שונים:

1. התנגשות חזקה - במקרה של התנגשות קטסטרופלית שברי אסטרואידים עפים לכל עבר. שני גופים שנזרקים לאותו הכיוון ובמהירות דומה, נכנסים למסלול זה סביב זה והופכים לאסטרואיד כפול (ארוע דומה ככל הנראה יצר את הירח).

2. התנגשות חלשה - במקרה של התנגשות במהירות נמוכה, יעלו ענני אבק ואבנים קטנות מפני השטח של האסטרואיד, אך לא תהיה להם אנרגיה מספקת בכדי להסתלק משדה הכבידה של האסטרואיד. במצבים מסויימים ייתכן, שבמקום לשקוע בחזרה אל פני השטח, שברים אלו יצטברו לכדי לווין.

3. התפרקות - אסטרואידים הם בעלי מבנה של ערמת חצץ, כלומר הם עשויים מאוסף של אסטרואידים קטנים המוחזקים ביחד אודות לכוח הכבידה בלבד (שהוא איננו כוח חזק). במידה והאסטרואיד מסתובב מהר מדי הכוח הצנטרפוגלי "מתגבר" על כוח הכובד ושברים נזרקים מהאסטרואיד. שברים גדולים יכולים להוות בעצמם אסטרואיד כפול, או מספר שברים כאלו יכולים להצטבר לכדי לווין.

4. גוף שלישי או מספר גופים - שני גופים שנעים האחד בקרבת השני נושאים עמם אנרגיה מסלולית רבה מדי בכדי "לעצור" ולהכנס למסלול סביב נקודת שיווי המשקל. אבל, גוף שלישי שגם הוא נע בקרבתם, יכול לקבל מהם את האנרגיה העודפת, לסטות מכיוונו המקורי, ולהותיר את שני הגופים במסלול זה סביב זה. כאשר מנגנון כזה מתבצע ע"י גופים רבים נהוג לקרוא לו חיכוך דינמי (באנגלית dynamical friction ).

5. תנועה בענן - אסטרואידים הנעים בענני אבק וגז יכולים לאבד את האנרגיה המסלולית העודפת לטובת החיכוך בענן וכך להישאר במצב של אסטרואיד כפול.

האם אסטרואידים כפולים "מתגרשים"?

לאחרונה, נמצאו עדויות לכך שאסטרואידים כפולים הם לא בהכרח יציבים: נצפו עשרות זוגות של אסטרואידים שאינם סובבים זה את זה אבל חולקים כמעט ואותו המסלול סביב השמש (Vokrouhlický and Nesvorný 2008). מודלים דינמיים מראים שכל זוג כזה של אסטרואידים נמצא בעבר באותה נקודה במרחב, כלומר שני הגופים היו בעבר אסטרואיד אחד שהתפרק. אסטרואיד כזה היה לתקופה מסוימת אסטרואיד כפול עד ששני רכיביו יצאו משדה הכבידה המשותף. בנוסף מסתבר כייחסי הגדלים בין האסטרואידים בכל זוג והתפלגות הסיבוב העצמי שלהם דומה לאלו של אסטרואידים כפולים, עובדה הקושרת את ההתפתחות של שתי אוכלוסיות אלה של אסטרואידים (Pravec et al. 2009).

כמו כן, מודלים תיאורטיים שונים חוזים כי אסטרואיד כפול יתפרק אם יזכה באנרגיה הגדולה מאנרגיית הקשר שלו עם בן-זוגו. אנרגיה כזאת יכולה להתקבל בהתנגשות או במעבר קרוב של אסטרואיד שלישי; במעבר ליד כוכב לכת; ובהמשך ההתפרקות של האסטרואיד הכפול לרכיבים נוספים, כאשר הוא מאיץ את סיבובו בגלל תופעת YORP ומגדיל את הכוח הצנטריפוגלי מעבר לכוח הכבידה שלו.

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית


מחברים


דוד פולישוק