שבתאי

מתוך Astropedia

קפיצה אל: ניווט, חיפוש
שבתאי
שבתאי, כפי שצולם ע"י החללית קאסיני (2004).
מידע כללי
סוג עצם: כוכב לכת
מיקום: מסלול סביב השמש
מאפיינים מסלוליים
רדיוס מסלול: 1,433,449,370 ק"מ
רדיוס מסלול: 9.582 י"א AU
אפהליון: 1,513,325,783 ק"מ
(10.116 י"א AU)
פריהליון: 1,353,572,956 ק"מ
(9.048 י"א AU)
אקסצנטריות: 0.05572
זמן הקפה: 29.66 שנים, 10,832 ימים
נטיית מסלול: 2.485°
מאפיינים פיזיים
בהירות: 0.5±0.7 מגניטוד
רדיוס בקו המשווה: 60,268±4 ק"מ
צפיפות ממוצעת: 0.687 גרם/סמ"ק
אלבדו: 0.47


שבתאי (באנגלית: Saturn) - הוא שמו של כוכב הלכת השישי במרחקו מהשמש. שבתאי הינו כוכב לכת גזי והוא השני בגודלו ובמסתו במערכת השמש. שבתאי, המוכר לאנושות מימי קדם, מכונה בלועזית בשם סטורן (Saturn), השם המקביל במיתולוגיה הרומאית לקרונוס, אביו של זאוס / יופיטר (שעל-שמו נקרא כוכב הלכת צדק) ובנם של אל השמים אוראנוס ואלת האדמה גאיה. הקישור העברי בין שבתאי ליום השבת מגיע מהקישור המקביל בלועזית (Saturday מלשון Saturn). לשבתאי מערכת עשירה של טבעות, כמו לכל כוכבי הלכת הגזיים, אולם טבעותיו של שבתאי הינן הססגוניות והמרשימות ביותר ונצפות בקלות גם בעזרת טלסקופים קטנים. הראשון שצפה בהן היה גלילאו גלילי בשנת 1609. לשבתאי עשרות ירחים בעלי מגוון רחב של תכונות. הגדול מביניהם, טיטן, הוא הירח השני בגודלו במערכת השמש והירח היחידי בעל אטמוספרה צפופה כשל כדור הארץ. ארבע חלליות מחקר ביקרו בשבתאי (פיוניר 11, וויאג'ר 1, וויאג'ר 2 וקאסיני) וגשושית המחקר הויגנס אף נחתה על פניו של טיטן.


תוכן עניינים

מבנה

כוכב הלכת שבתאי הינו כוכב לכת גזי, וככזה אין לו פני שטח מוצקים וניתן לתארו ככדור גז גדול המוחזק בהשפעת כובדו העצמי. צפיפותו של שבתאי (0.7 גרם לסמ"ק) אף נמוכה מזו של מים (1 גרם לסמ"ק), כך שנהוג לתארו כאילו היה צף באמבט גדול המתאים לגודלו. בחלקו החיצוני, הלחץ והטמפרטורה נמוכים מאד ומגיעים לכדי עשריות הבאר וכ-80 מעלות קלווין (193- מעלות צלזיוס). ככל שמתקרבים לליבתו של שבתאי, הטמפרטורה והלחץ עולים ומשנים את מבנה החומר. ליבתו הסלעית (ככל הנראה) של שבתאי, מוקפת בשכבה של מימן מתכתי נוזלי (Liquid Metallic Hydrogen). במצב זה הפרוטונים באטום המימן מצויים במבנה שריגי והמרחק האופייני ביניהם קטן מרדיוס בוהר. האלקטרונים של אטומי המימן נמצאים במצב חופשי ומתנהגים בדומה לאלקטרוני הולכה במתכות (ומכאן השם). ב-1996 הצליחו מדענים לייצר במעבדה מימן במצב צבירה מתכתי נוזלי ולחקור את תכונותיו. מעל שכבת המימן המתכתי הנוזלי שבאטמוספרה של שבתאי מצויה שכבה של מימן מולקולרי, אשר רובה נמצאת במצב צבירה נוזלי אודות ללחץ הגבוה. מעל שכבה זו המימן נמצא במצב צבירה גזי.

חצי הכדור הצפוני של שבתאי, כפי שצילמה קאסיני דרך טבעות כוכב הלכת. הירח בתמונה הוא מימס. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
חצי הכדור הצפוני של שבתאי, כפי שצילמה קאסיני דרך טבעות כוכב הלכת. הירח בתמונה הוא מימס. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

הטמפרטורה בליבתו של שבתאי מגיעה לכ- 12,000 מעלות קלווין. שבתאי (כמו גם כוכב הלכת צדק) פולט מעט יותר אנרגיה מאשר זו שהוא מקבל מהשמש. מקור האנרגיה העודפת הינו, ככל הנראה, אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, כלומר אנרגיה שמקורה בנפילת חומר למרכזו של שבתאי. אפשרות נוספת, הנחקרת כיום, היא הפקת אנרגיה על ידי טיפטוף של הליום (Helium Rainout), שהינו כבד יותר ממימן, דרך ליבת המימן כך שנוצרת אנרגיה מחיכוך בין טיפות ההליום והמימן.

אטמוספרה

באטמוספרה של שבתאי ניתן להבחין בפסים רחבים, אולם הם בולטים פחות מפסי האטמוספרה הידועים של צדק. אטמוספרת שבתאי עשירה (כ- 93% במסה) במימן וענייה בהליום (כ-6%), ביחס להרכב השמשי (27% הליום). שכבת העננים עשויה אמוניה וניתן למצוא בה גם מתאן, אתאן, אציטילן, פוספין, גבישי קרח מים וחומרים נוספים הנותנים לשבתאי את צבעו הכתמתם. מהירות הרוחות באטמוספרת שבתאי הינה כ-400 מטר לשנייה באזור קו המשווה והן נושבות, ככלל, בכיוון מזרח-מערב. לשבתאי שדה מגנטי שעוצמתו באטמוספירה הינה כ-0.2 גאוס (לשם השוואה, עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ על פני הקרקע הינה כ 0.5 גאוס).

טבעות שבתאי

שבתאי מוקף, במישור המשווה שלו (המישור הניצב לציר הסיבוב שלו סביב צירו), במערכת של טבעות ססגוניות הניתנות לתצפית מכדור הארץ, גם בעזרת טלסקופים קטנים. גלילאו גלילי היה הראשון שכיוון טלסקופ לכוכב הלכת שבתאי בשנת 1609. גלילאו הבחין שמשני צידי כוכב הלכת מצויים שני גופים נוספים הנוגעים בו – ועל-כן תיאר בספרו "שליח הכוכבים" כוכב עם "אזניים". אי היכולת של גלילאו להבחין בטבעות נבעה כתוצאה מהאיכות האופטית הירודה של הטלסקופים שלו. רק בשנת 1659 הבחין האסטרונום כריסטיאן הויגנס (Christiaan Huygens) בגיאומטריה האמיתית של טבעות שבתאי. הגשושית שנחתה על טיטן, ירחו של שבתאי, מכונה על-שמו.

בסיס הטבעות מצוי במרחק של כ-6,600 ק"מ מהאטמוספרה של שבתאי והחלקים החיצוניים ביותר מגיעים עד למרחק של כ-121,000 ק"מ. לעומת זאת, הטבעות הן דקות במיוחד - עוביין הוא כ-1 ק"מ בלבד. הטבעות עשויות מסלעים (סילקטים ותחמוצות ברזל) וחלקיקי קרח (מים, אמוניה ומתאן). גודל החלקיקים האופייני משתנה בין טבעת לטבעת והוא נע בין מ"מ ועד כמה מטרים (כלומר, סלעים). גודל החלקיקים בטבעות עוקב אחר חוק חזקה (מספר החלקיקים מתכונתי לגודל החלקיק בחזקה של -2). רב המסה של הטבעות נמצאת בחלקיקים שגודלם גדול מס"מ והטבעות מכילות מעט מאד אבק מיקרוסקופי. יוצאות דופן בענין זה הינן טבעות E ו G, העשויות בעיקר מאבק מיקרוסקופי.

טבעות שבתאי קשורות קשר הדוק לירחים הפנימים של כוכב הלכת. בטבלה הבאה מפורטות מערכות הטבעות של שבתאי, על פי סדר מרחקן מכוכב הלכת. בין חלק מהטבעות מצויים רווחים, שנוצרו כתוצאה מאינטראקציה בין ירחי שבתאי והטבעות. הבולט והידוע מבין רווחים אלה הוא רווח קאסיני (ראה טבלה). הרווחים אינם ריקים מחומר, אך צפיפות החומר בהם קטנה ביותר, יחסית למרכזי הטבעות. באיור משמאל מוצגות הטבעות והירחים הפנימיים של כוכב הלכת.

טבעות שבתאי
טבעת מרחק ברדיוסי שבתאי זמן מחזור בשעות גודל החלקיקים עומק אופטי מסה בגרמים הערות
טבעת די

D-Ring

1.11 - 1.235 4.8 - 5.8 קטן מ-1 מיקרון 10-4  ?
טבעת סי

C-Ring

1.235 - 1.525 5.8 - 7.9 1 - 300 ס"מ 0.05 - 0.35 1020 שברי טבעות
טבעת בי

B-Ring

1.525 - 1.949 7.9 - 11.4 1 - 500 ס"מ 0.4 - 2.5 2X1022 מבנה לא סדיר
רווח קאסיני

Cassini Division

1.949 - 2.025 11.4 - 12.1 1 - 750 ס"מ 0.05 - 0.15 4X1020 רווח הויגנס (Huygens gap) ועוד מספר רווחים צרים
טבעת איי

A-Ring

2.025 - 2.267 12.1 - 14.3 1 - 500 ס"מ 0.4 - 2 2X1021 גלי צפיפות וגלי עיקום.

רווח אנקה (Encke gap) רווח קילר (Keeler gap). רווח אנקה נוצר כתוצאה מהירח פאן (Pan).

טבעת אף

F-Ring

2.324 14.9 0.1 - 10 מיקרון 0.1  ?
טבעת ג'י

G-Ring

2.82 19.9 0.03 מיקרון 10-6~  ? טבעת דלילה במיוחד
טבעת אי

E-Ring

3 - 8 33~ יום 1 מיקרון 10-5~ 7X1011 צפיפות מירבית בקרבת הירח אנקלודס (Enceladus) שגם הינו המקור העיקרי לטבעת.

בתוך הטבעת מצויים גם הירחים טטיס (Tethys) ודיון (Dione).

טבעות שבתאי כפי שצולמו על ידי החללית קאסיני, המקיפה את שבתאי. ניתן להבחין שכל אחת מהמערכות העיקריות של הטבעות מורכבת בעצמה מעשרות או מאות טבעות. האליפסה השחורה הנראית על מישור הטבעות הינה צילו של שבתאי. הנקודה הקטנה בצד שמאל של התמונה הינו הירח אפימתאוס (Epimetheus). צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
טבעות שבתאי כפי שצולמו על ידי החללית קאסיני, המקיפה את שבתאי. ניתן להבחין שכל אחת מהמערכות העיקריות של הטבעות מורכבת בעצמה מעשרות או מאות טבעות. האליפסה השחורה הנראית על מישור הטבעות הינה צילו של שבתאי. הנקודה הקטנה בצד שמאל של התמונה הינו הירח אפימתאוס (Epimetheus). צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

ככל הנראה טבעות שבתאי אינן יציבות ואורך החיים שלהן הינו מספר מיליוני שנים בלבד. נראה כי תהליך ההיווצרות של הטבעות קשור בהתפרקות של שביט או אסטרואיד כתוצאה ממעבר קרוב לשבתאי וקריעתו ע"י כוחות הגאות העצומים של כוכב הלכת (ראו: רדיוס רוש). יחד עם זאת, הצורה שבה נוצרו טבעות שבתאי איננה ברורה לחלוטין. טבעות שבתאי הינן מאסיביות לפחות פי 1000 ממערכות הטבעות של כוכבי הלכת הגזיים האחרים. מסתן הכוללת של טבעות שבתאי גדולה מסה"כ המסה של ירחי שבתאי הפנימיים (כלומר, אלה הקרובים אליו יותר מהירח מימס).

בתמונה נראות טבעות שבתאי כפי שצולמו על ידי החללית קאסיני. ניתן להבחין שכל אחת מהמערכות העיקריות של הטבעות מורכבת בעצמה מעשרות או מאות טבעות. האליפסה השחורה הנראית על מישור הטבעות הינה צילו של שבתאי. הנקודה הקטנה בצד שמאל של התמונה הינו הירח אפימתאוס (Epimetheus).

תופעות בטבעות

טבעת שזורה: חלק מטבעת F, כפי שצולמה על ידי החללית וויג'אר 2. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
טבעת שזורה: חלק מטבעת F, כפי שצולמה על ידי החללית וויג'אר 2. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

בטבעות שבתאי ניתן להבחין במגוון תופעות הקשורות בתהליכים דינמיים מורכבים המתרחשים בטבעות:

טבעות שזורות

טבעות שזורות (באנגלית: Braided rings) – תופעה הנגרמת כתוצאה מהשפעה כבידתית של ירחים על הטבעות. בתמונה משמאל נראה חלק מטבעת F, כפי שצולמה על ידי החללית וויג'אר 2.

שבילי טבעות

שבילי טבעות (באנגלית: Wakes) – שבר טבעת מסביב לירח רועה (Shepherd moonlet). הירחים הפנימיים משמשים כרועים לחלקי טבעות ולמעשה רועים אחריהם את שברי טבעות.

כישורי טבעות

סרטון שצולם על ידי החללית וויג'אר 2, בו נראים כישורי טבעות נעים על פני הטבעות ומשנים את צורתם. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
סרטון שצולם על ידי החללית וויג'אר 2, בו נראים כישורי טבעות נעים על פני הטבעות ומשנים את צורתם. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

כישורי טבעות (באנגלית: Spokes) – באופן תאורטי טבעות שבתאי אמורות להיות אחידות למדי. הסיבה לאחידות היא התנגשויות קלות בין החלקיקים בטבעות המפזרות את האנרגיה בין החלקיקים בצורה אחידה. באזורים הצפופים של הטבעות, כל חלקיק בטבעת עובר כ-1000 התנגשויות כל הקפה. למרות זאת, נצפות אי אחידויות בטבעות (הנראות כאזורים כהים) שמשתנות כל העת. משמאל, סרטון שצולם על ידי החללית וויג'אר 2 שבו נראים כישורי טבעות נעים על פני הטבעות ומשנים את צורתם.

גלי צפיפות בטבעות

גלי צפיפות בטבעות (באנגלית: Density waves) – הירחים הפנימיים של שבתאי משפיעים על הטבעות. מסלולים מסוימים של חלקיקים בטבעות (כאלו שזמן ההקפה שלהם את שבתאי הינו כפולה שלמה של זמן המחזור של אחד הירחים) נעשים מעט אליפטיים (עם אקצנטריות של לא יותר מ- 0.001) ויוצרים גלי צפיפות לוליניים (ספירליים). ההסבר לתופעה מצוי ככל הנראה בכוחות אלקטרוסטטיים הפועלים בין החלקיקים בטבעות.

גלי עיקום בטבעות

גלי עיקום בטבעות (באנגלית: Bending waves) – מישור ההקפה של הירח מימס (Mimas) את שבתאי נטוי בזווית של כ-1.5 מעלות למישור הטבעות. כתוצאה מהנטייה בין שני המישורים מימס מפעיל כוח בכיוון הניצב למישור הטבעות, הגורם לגלי עיקום שכתוצאה מהן הטבעות נעשות עבות במקצת. עוביין של טבעות שבתאי כ-1 ק"מ בלבד, והוא מוסבר בעיקר על ידי גלי עיקום בטבעות.

ירחי שבתאי

הירח מימס כפי שצולם ע"י החללית וויאג'ר 1. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
הירח מימס כפי שצולם ע"י החללית וויאג'ר 1. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
הירח דיון כפי שצולם ע"י החללית וויאג'ר 1. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
הירח דיון כפי שצולם ע"י החללית וויאג'ר 1. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
הירח טיטן כפי שצולם ע"י חללית המחקר קאסיני. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
הירח טיטן כפי שצולם ע"י חללית המחקר קאסיני. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

לשבתאי מספר גדול של ירחים, וגם עתה ממשיכים להתגלות מסביבו ירחים קטנים נוספים. נכון לשנת 2007, מוכרים 60 ירחים המקיפים את שבתאי. טכנית, גם החלקיקים המרכיבים את הטבעות יכולים להיקרא "ירחים" וההפרדה בינם לבין ירחים רגילים איננה ברורה, שכן גודלם של חלק מהחלקיקים בטבעות הוא כשל סלעים. הירח הגדול ביותר של שבתאי, טיטן, הינו הירח היחידי במערכת השמש שלו אטמוספרה משמעותית משלו. טיטן הוא הירח השני בגודלו במערכת השמש (אחרי גנימד, ירחו של צדק) והוא התגלה על ידי כריסטופר הויגנס בשנת 1655. לאחרונה, נחתה על טיטן הגשושית ע"ש הויגנס שצילמה הרים, אגמים, ערוצים ותווי שטח מעניינים נוספים. ירחים אחרים בעלי ייחוד הם: מימס, ובו מכתש עצום שקוטרו כשליש מקוטרו של הירח. ההתרסקות שיצרה את המכתש כמעט וריסקה את הירח לחלוטין; יאפיטוס, שהוא הגוף היחיד במערכת השמש שחלקו צבוע לבן וחלקו צבוע שחור, ככל הנראה כתוצאה מהתנגשות מאוחרת שפיזרה חומר בצבע כהה על-פניו; אנסלדוס, ירח נוסף עשוי קרח שהרי געש של אדי מים נראו מתפרצים מפניו. ככל הנראה, זוהי תוצאה של אוקיינוס תת-קרקעי הנמצא בתוך הירח. אנסלדוס הוא הירח השלישי במערכת השמש, מלבד איו של צדק וטריטון של נפטון, שהרי געש נצפו מתפרצים על-פניו.

בטבלה הבאה מופיעים הירחים הידועים של כוכב הלכת שבתאי, לצד המאפיינים הפיזיקליים והמסלוליים שלהם. רבים מירחי שבתאי הינם אסטרואידים קטנים או גופי קרח שנלכדו בכח הכבידה שלו. "ירחי לכידה" אלו מקיפים את שבתאי בדרך כלל במסלולים אקסצנטריים, בעלי נטיית מסלול גדולה, ולעיתים בכיוון הפוך לזה שבו מסתובב שבתאי סביב צירו (ולכן ניתנים לזיהוי בטבלה בכך שנטיית המסלול שלהם גדולה מ-90 מעלות).

ירחי שבתאי הגדולים (רדיוס>100 ק"מ) בסדר מרחקם משבתאי
שם רדיוס ממוצע (ק"מ) צפיפות (גרם לסמ"ק) בהירות ממוצעת בניגוד חצי ציר ארוך של המסלול (ק"מ) אקסצנטריות נטיית המסלול (מעלות) זמן מחזור (ימים) מגלה ושנת גילוי
מימס

(Mimas)

198.6 1.16 12.8 185,600 0.0206 1.566 0.942 הרשל 1789
אנסלדוס

(Enceladus)

249.4 1.83 11.8 238,100 0.0001 0.010 1.370 הרשל 1789
טטיס

(Tethys)

529.9 0.99 10.2 294,700 0.0001 0.168 1.888 קאסיני 1684
דיון

(Dione)

560.0 1.49 10.4 377,400 0.0002 0.002 2.737 קאסיני 1684
ריאה

(Rhea)

764.0 1.23 9.6 527,100 0.0009 0.327 4.518 קאסיני 1672
טיטן

(Titan)

2575.5 1.88 8.4 1,221,900 0.0288 1.634 15.95 הויגנס 1655
היפריון

(Hyperion)

133.0 1.1 14.4 1,464,100 0.0175 0.568 21.28 בונד ולאסל 1848
יפאטוס

(Iapetus)

730.0 1.11 11 3,560,800 0.0284 7.570 79.33 קאסיני 1671
פובה

(Phoebe)

107.3 1.60 16.4 12,944,300 0.1644 174.751 548.2 פיקרינג 1898

תצפית בשבתאי

כוכב הלכת שבתאי הינו כוכב הלכת הרחוק ביותר מהשמש שהיה ידוע לאנושות בטרם הומצא הטלסקופ. ניתן להבחין בשבתאי בקלות בעין בלתי מצוידת ובאמצעות משקפת שדה טובה ניתן להבחין ברמז לקיום הטבעות סביבו. את טבעות שבתאי ניתן לראות באמצעות טלסקופי חובבים קטנים עם הגדלה של כ-25 ומעלה. בדומה לשאר כוכבי הלכת, שבתאי נראה כנע על רקע הכוכבים הרחוקים.

מישור הטבעות של שבתאי, הניצב לציר הסיבוב של כוכב הלכת סביב צירו, נטוי בזווית של כ-25 מעלות למישור ההקפה של שבתאי את השמש. כתוצאה מכך הנטייה הנראית של טבעות שבתאי עבור צופה מכדור הארץ משתנה עם הזמן. בתמונה נראות מספר תמונות של כוכב הלכת שבתאי, כפי שצולמו על ידי טלסקופ החלל על שם האבל, במהלך שנות ה-90 של המאה ה-20. ניתן לראות שבתקופות מסוימות טבעות שבתאי פרושות עבור צופה מכדור הארץ, בעוד שבתקופות אחרות הן "מתיישרות" עם הצופה ונראות כפס דק. מישור הנטייה של הטבעות משתנה במחזוריות של כ-30 שנה (זמן ההקפה של שבתאי את השמש). הגרף הבא מראה את נטיית כדור הארץ במעלות ביחס למישור הטבעות, בקו אדום, ואת נטיית השמש (שמאירה את הטבעות) ביחס למישור הטבעות בקו כחול. הגרף מראה את מצב הטבעות בין שנת 2000 לשנת 2030.

הפעם הבאה שבו כדור הארץ והשמש יחצו את מישור הטבעות תתרחש בשנת 2009, ואז יראו הטבעות כפס דק עבור צופה מכדור הארץ (ויעלמו כמעט לחלוטין). הגרף הבא, מראה תמונת תקריב של הגרף מלמעלה עבור שנת 2009.

אפימרידים של שבתאי

אפימרידים של שבתאי ניתן למצוא ב:

ובמקורות חיצוניים נוספים:

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


דוד פולישוק, ערן אופק

כלים אישיים