ענק גזים

ענקי הגזים במערכת התיכונה משמאל לימין: צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון ומאחוריהם השמש ביחס גדלים אמיתי.

כוכב הלכת צדק כפי שצולם על ידי החללית קסיני

כוכב הלכת שבתאי כפי שצולם על ידי החללית קסיני

ענק גזים הוא כינויים של כוכבי לכת המורכבים בעיקר מגזים. כוכבי לכת אלה מסיביים בהרבה מכוכבי הלכת הארציים. במערכת השמש יש ארבעה ענקי גזים: צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון.

"ענקי קרח" הם תת-קטגוריה של ענקי הגזים, והחלק הפנימי שלהם מורכב בעיקר מקרח וסלע. אורנוס ונפטון הם ענקי קרח.

"מערכת השמש התיכונה" מכילה ארבעה ענקי גזים והם כוכבי הלכת שנמצאים מעבר לחגורת האסטרואידים. ענקי הגזים מכילים כ-99% מהמסה שנמצאת במערכת השמש, למעט השמש עצמה. כאשר מכניסים את מסת השמש לחישוב, הם מכילים 0.133% ממסת כלל מערכת השמש והצירוף של השמש וארבעת ענקי הגז מכיל מעל 99.99% מכלל המסה של כלל מערכת השמש.

שני הענקים הראשיים, צדק ושבתאי, גדולים בהרבה מכדור הארץ. מסת צדק גדולה פי 318 ממסת כדור הארץ ומסת שבתאי גדולה פי 95 ממסת כדור הארץ. הם מורכבים בעיקר ממימן ומהליום, ומסיבה זו האסטרונומים הפרידו אותם לתת-קבוצה המכונה "ענקי גז".

אורנוס ונפטון קטנים משמעותית: מסת אורנוס גדולה פי 14 ממסת כדור הארץ, ומסת נפטון גדולה פי 17 ממסת כדור הארץ. האטמוספירות שלהם מכילות כמות קטנה של מימן והליום ואחוז גבוה של "קרח" המורכב ממים, אמוניה ומתאן. מסיבה זו אסטרונומים הפרידו אותם לתת-קבוצה המכונה "ענקי קרח".

ענקי גזים עשויים להיות בעלי ליבה סלעית ומתכתית ואחת הסברות היותר מקובלות בקרב האסטרונומיה היא שליבה כזו הכרחית לקיומם. בין אם ליבה כזו מצויה או לא - את רובה המכריע של מסתם ממלאים מימן והליום, יחד עם שרידים של מים, מתאן, אמוניה, ותרכובות מימניות אחרות. בעוד יסודות אלה מוכרים לנו כגזים על כדור הארץ הם כנראה דחוסים לתוך צורתם הנוזלית או המוצקה באטמוספירה של ענקי הגז.

בשונה מכוכבי לכת ארציים בהם יש הבדל ברור בין פני השטח לאטמוספירה, בענקי גזים אין פני שטח ברורים. האטמוספירה שלהם פשוט הופכת צפופה יותר ככל שמתקרבים לליבתו של כוכב הלכת כשמצב הצבירה משתנה לנוזלי או דמוי נוזלי בין האטמוספירה לליבה. אי אפשר "לנחות" על כוכבי הלכת האלו בצורה המוכרת לנו היום. מדדים של קוטר, נפח, טמפרטורה על פני השטח, וצפיפות מתייחסים לשכבה העמוקה ביותר שניתן לראות מהחלל.

מאפיינים משותפים

ארבעת הענקים חולקים כמה מאפיינים. לכולם יש אטמוספירות המורכבות ממימן ומהליום המתמזגת עם החלק הנוזלי הפנימי יותר בלחץ הגדול מהלחץ הקריטי וכך אין הבדל ברור בין הגוף לאטמוספירה שלו. חלקם הפנימי חם מאוד, מ-5,000 מעלות קלווין בנפטון ועד 20,000 קלווין בצדק. כיוון שהטמפרטורות בחלק הפנימי כה גבוהות אין לכוכב חלקים מוצקים כלל אלא כל חלקי הכוכב נמצאים במצבי צבירה בין המצב הנוזלי והגזי. לכן, כאשר עוסקים בקיומה של "ליבה סלעית" בענקי הגזים הכוונה אינה לליבה מוצקה, שלא סביר שתתקיים בטמפרטורות כאלו, אלא לריכוז גבוה של יסודות כבדים כמו ברזל וצורן.

ארבעת הענקים מסתובבים יחסית מהר סביב צירם מה שיוצר רוחות חזקות שנעות ברצועות בכיוון מזרח-מערב (בכיוון הסיבוב). רצועות אלה בולטות למדי על צדק, חלשות יותר על שבתאי ונפטון, ובקושי ניתנות להבחנה על אורנוס. אורנוס מסתובב סביב ציר בזווית הרבה יותר גדולה מיתר ענקי הגזים מה שיוצר שינויים קיצוניים בין העונות.

סביב כל ארבעת ענקי הגזים של מערכת השמש יש מערכות של טבעות פלנטריות המורכבות משברי סלעים וקרח, אולם רק בטבעות המרהיבות של שבתאי ניתן להבחין בקלות יחסית מכדור הארץ, ולכן עד לשנות ה-70 של המאה ה-20 לא ידעו על קיומן של טבעות פלנטריות סביב כוכבי הלכת האחרים. ענקי הגזים גם מאופיינים בכמות גדולה של ירחים - לצדק ולשבתאי עשרות ירחים, שככל הנראה חלקם עצמים שנלכדו עם השנים על ידי כח המשיכה העצום שלהם. נכון ל-2016 נמנו לצדק 67 ירחים, המספר הגדול ביותר של ירחים לכוכב לכת במערכת השמש.

סיבוב חגורות ואזורים

תצלום של צדק מהחללית פיוניר 10 משנת 1974, בה רואים בבירור את הכתם האדום הגדול על פני צדק

הרצועות שנראות על פני ענקי הגזים בכלל ועל צדק במיוחד, מורכבות מ"חגורות" כהות ו"אזורים" בהירים הנעים בניגוד לכיוון סיבוב הכוכב על קווי הרוחב שלו, במקביל לקו המשווה. ה"אזורים" הם הרצועות הבהירות יותר. הן נמצאות בנקודות גבוהות יותר באטמוספירה והלחץ בהן גבוה. החגורות הן הרצועות האפלות יותר. הן נמצאות בנקודות נמוכות יותר באטמוספירה והלחץ בהן נמוך.

באטמוספירה של ענקי הגזים נמצאים גם מבנים קטנים יותר מהאזורים והחגורות - נקודות בגדלים וצבעים שונים שאינם נעים נגד כיוון הסיבוב. מבנים אלו יכולים להיות גדולים מאוד. כך לדוגמה, באטמוספירה של צדק בולט הכתם האדום הגדול. הכתם קיים לפחות 340 שנה, על פי תצפיותיו של האסטרולוג והאסטרונום מתקופת הרנסאנס ג'ובאני קאסיני בסביבות שנת 1665. נקודות ומבנים אלה הם סופות ענק. מחלק מהם משתחררים ברקים שאף נצפו על ידי אסטרונומים.

צדק ושבתאי

צדק ושבתאי מורכבים כמעט במלואם ממימן והליום, והם כל כך גדולים שגם מסת היסודות הכבדים שלהם גדולה פי כמה ממסת כדור הארץ. חלקם הפנימי מורכב כפי הנראה ממימן מתכתי (נוזלי), זוהי צורה של מימן שמוליכה חשמל בדומה למתכות. לשניהם יש שדות מגנטיים הממוקמים קרוב לציר סביבו הם מסתובבים.

• צדק - צדק הוא כוכב הלכת החמישי מהשמש. צדק נמצא במרחק ממוצע של 5.2 יחידות אסטרונומיות מהשמש, והוא כוכב הלכת הגדול ביותר במערכת השמש ובעל המסה הגדולה ביותר - מסתו גדולה פי 318 מהמסה של כדור הארץ. קוטרו של צדק הוא 142,990 ק"מ. שמו בלועזית הוא יופיטר, לצדק מספר טבעות פלנטריות דלילות העשויות מאבק. לצדק יש 67 ירחים. ארבעת הירחים הגדולים ביותר שלו הם איו, אירופה, גנימד וקליסטו - מכונים הירחים הגליליאניים.

• שבתאי - שבתאי הוא כוכב הלכת השישי מהשמש. שבתאי נמצא במרחק ממוצע של 9.5 יחידות אסטרונומיות מהשמש, והוא כוכב הלכת השני בגודלו במערכת השמש (אחרי צדק). מסתו גדולה פי 95 מהמסה של כדור הארץ. קוטרו של שבתאי 120,500 ק"מ. שמו בלועזית הוא סטורן, לשבתאי יש מערכת טבעות פלנטריות שמקיפות אותו ברצועת קו המשווה. הטבעות דקיקות ורחבות ומורכבות מגושי קרח ואבק. טבעותיו נראות מדהימות ביותר. יש לו 62 ירחים ידועים. יש לו 7 ירחים שמספיק גדולים כדי להיות בצורה כדורית. ירחים אלה הם טיטאן, ריאה, אפימתאוס, דיוני, טתיס, אנקלדוס ומימס. לטיטאן אטמוספירה סמיכה המכילה בעיקר מתאן וחנקן והוא הירח היחיד במערכת השמש בעל אטמוספירה משמעותית משלו.

אורנוס ונפטון

אורנוס ונפטון שונים מאד בהרכב החומרים הפנימיים מצדק ושבתאי. החוקרים משערים כי "פני השטח" שלהם מוכבים מתערובת של יסודות כבדים, מים, מתאן, ואמוניה. לשניהם יש שדות מגנטיים המוטים בזווית חדה כלפי צירי הסיבוב שלהם.

מושגים

את המונח "ענק גזים" (gas giant) טבע סופר המדע הבדיוני ג'יימס בליש בשנת 1952. המונח מדויק יחסית, כיוון שעל כוכב הלכת אין הפרדה בין הגזים לנוזלים, בכל נפחו, משום שכל המרכיבים (מלבד מוצקים בליבה) נמצאים מעל לנקודה הקריטית, והמעבר בין נוזל לגז חלק עד כדי כך שאין הפרדה ביניהם. צדק ייחודי בין ענקי הגזים בכך שיש לו מימן מתכתי קרוב למרכז שלו אך הרוב המכריע של נפחו מורכב ממימן, הליום, ושאריות של גזים אחרים מעל לנקודה הקריטית שלהם. האטמוספירה הנראית של כל אחד מהענקים (בפחות מנקודת עומק אופטית אחת) דקה מאד בהתחשב ברדיוס העצום של כוכבי לכת אלה והיא מתרחבת רק אחוז 1% מהדרך למרכז. למרות זאת, רק גז נראה מבעד לאטמוספירה, בשונה מכדור הארץ וממאדים החושפים דרך אטמוספירה שקופה (וגדולה יחסית לרדיוס הגוף) את פני השטח שלהם, המוצקים, ובכדור הארץ כמובן גם האוקיינוסים הנוזליים הנראים למרחוק.

המושג המטעה תפס מאחר שאסטרונומים משתמשים במושגים "גז, "סלע", ו"קרח" בתור קיצורים ליסודות ותרכובות שמצויים בכוכבי לכת, בלי להתחשב באיזה מצב צבירה הם מופיעים. במערכת השמש החיצונית מימן והליום הם "גזים". מים, מתאן, ואמוניה הם "קרח" וסיליקטים הם "סלע". כשמתייחסים לפנים כוכב הלכת נוטים לקרוא לחמצן ולפחמן "קרח" על ידי אסטרונומים, צורן נחשב "סלע" ומימן והליום הם תמיד "גז".

מונח נוסף לענקי הגזים הוא "פלנטות ג'אוביות" כלומר כוכבים דמויי יופיטר - צדק. בגלל השוני המהותי בין אורנוס ונפטון לבין צדק ושבתאי לפעמים מיוחס המושג רק לשניים האחרונים.

בהתחשב בטרמינולוגיה הזאת אסטרונומים מסוימים החלו לקרוא לאורנוס ונפטון "פלנטות אורניות" או במושג נפוץ יותר, "ענקי קרח", כדי להדגיש את הדומיננטיות של ה"קרח" (במצב נוזלי) בהרכב הפנימי של כוכב הלכת.

ענקי גזים חוץ-מערכתיים

בגלל הטכניקות המוגבלות המצויות בידינו למציאת כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש אלה שנמצאו עד עכשיו הם בגדלים דומים יחסית לענקי הגזים. משום שהם נוטים להיות בעלי יותר מאפיינים דומים לצדק מאשר לכל ענק גזים אחר במערכת השמש שלנו אחדים טוענים שהמושג "פלנטה ג'אובית" מתאים יותר לכוכבי לכת אלה. כוכבי לכת חוץ מערכתיים רבים קרובים הרבה יותר לכוכבי האב שלהם ולכן הם חמים הרבה יותר מענקי הגזים במערכת שלנו, מה שגורם לחלקם להיות אולי סוג של כוכבי לכת שלא נצפו במערכת השמש הארצית. בהתחשב בפיזור היחסי של אלמנטים ביקום (90% מתוכו מימן), יהיה מאד מפתיע למצוא כוכב לכת סלעי גדול יותר מצדק. מצד שני, מודלים קודמים של מערכות שמש מציעים אפשרות שענקי גזים יסטו מכיוון שנותרו קרוב כל כך לשמש שלהם ויאפשרו גילוי של כוכבי לכת חדשים.

הגבול העליון למסה של ענק גזים הוא בערך פי 80 ממסתו של צדק ובערך 8 מאיות ממסתה של השמש (אם ננסים חומים בהם מתבצע היתוך של דאוטריום נחשבים לענקי גזים גם כן). מעל לנקודה זו, החום האדיר ולחץ בליבתו של כוכב לכת כזה גורם לתגובת שרשרת של היתוך פרוטון-פרוטון והכוכב נהפך לננס אדום. מעניין לגלות שיש פער מסה בין ענקי הגזים הגדולים ביותר שהתגלו עד עכשיו (פי 10 ממסתו של צדק) לבין הננסים האדומים הקטנים ביותר. פער זה הוביל להשערות שתהליך ההיוצרות של כוכבי לכת וכוכבים זוגיים (בינאריים) שונה בתכלית מתהליך יצירת הכוכבים הרגילים.

ראו גם

• צדק חם