עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > אסטרונומיה [מדעי החלל] > גרמי שמים > מערכת השמש
מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכיתאוניברסיטת תל אביב. בית ספר לחינוך. המרכז לחינוך מדעי וטכנולוגי



תקציר
שאלות ותשובות על השמש - תהליך היווצרותה, המסה, הרדיוס והטמפרטורה שלה, האם היא מסתובבת סביב צירה, מהו הכוכב הקרוב ביותר לשמש, האם כוכבי לכת שקרובים יותר לשמש סובבים סביב עצמם וסביבה, למה תהפוך השמש בסוף חייה - ננס לבן או חור שחור, מה הקשר בין חור שחור להתפתחות השמש, מדוע היא זוהרת, כיצד היא יוצרת את הספרה 8, כמה זמן נמשך הסיבוב של כדור הארץ סביב השמש.



שמש
מחבר: ד"ר יואב יאיר



איך נוצרה השמש?


על פי התיאוריה המקובלת, השמש נוצרה לפני כ-4.5 מיליארד שנים לערך, מתוך ערפילית ענקית של גז ואבק. ערפילית, או ענן בין-כוכבי, הנו מקום המכיל ריכוז גבוה יחסית של גז מימן ושל גרגרי אבק בין-כוכבי. ענן זה החל להתכווץ ולהסתובב, כשהוא הולך ונדחס כלפי המרכז. בלב הענן נוצר אזור צפוף ודחוס במיוחד, והלחץ והטמפרטורה בו מתחילים לעלות. כאשר הטמפרטורה מספיק גבוהה, "אב-הכוכב" מתחיל ליצור תגובות גרעיניות בין אטומי המימן שבו. המימן עובר היתוך גרעיני, שבסופו מתקבל אטום הליום ומשתחררת אנרגיה רבה. תהליך זה גורם לעליית הזוהר של אב-הכוכב והוא הופך לכוכב צעיר המתחיל לזהור. העוצמה הגוברת של קרינה המשתחררת מהכוכב הודפת את שאריות החומר שנותרו בערפילית, והאזור מתנקה אט-אט. לעתים, חלק מ"השאריות" הללו מצליח ליצור כוכבי-לכת, אשר נותרים במסלולים סביב הכוכב המרכזי. זוהרו של הכוכב וטיב מהלך החיים שלו תלויים במסה הראשונית שלו, כלומר בכמות החומר שהייתה בו עת נוצר מהערפילית המקורית.



מסת השמש והרדיוס שלה


הרדיוס של השמש הוא 696,000 קילומטרים והמסה שלה גדולה פי 300,000 מזו של כדור הארץ וערכה 2 כפול 10 בחזקת 27 טון (כלומר 1 ואחריו 27 אפסים). מכאן תוכלי לחשב בקלות את הצפיפות של השמש (מסה חלקי הנפח) ואז תגלי להפתעתך שצפיפות החומר בשמש היא רק 1.4 גרם לסמ"ק, בערך רבע מצפיפות כדור-הארץ. זה נובע מכך שהשמש מורכבת בעיקרה מהיסודות מימן והליום, ורק מעט יסודות כבדים יותר



הטמפרטורה בשמש


את הטמפרטורה של שפת השמש אנחנו יכולים למצוא על סמך חוק פיסיקלי הקובע שיש קשר בין אורך הגל (כלומר, הצבע) שבו נפלטת מרבית הקרינה מגוף לוהט לבין הטמפרטורה שלו. למעשה, את יודעת זאת מהניסיון היום-יומי: ככל שגוף חם יותר, הצבע שלו הופך להיות כחול יותר. הלהבה של הגז בבית היא כתומה-אדומה בקצוות, אך לבנה-כחולה במרכז, וזהו האזור החם ביותר שלה. הפיסיקאים יודעים לתאר את הקשר בין הצבע לבין הטמפרטורה במשוואה מסוימת, הקרויה "משוואת וין". על ידי תצפית על השמש הם יודעים למצוא במדויק את אורך הגל שבו נפלטת מרבית האנרגיה שלה, ומציבים את המספר במשוואה. התוצאה היא בערך 6000 מעלות צלסיוס.
לגבי מרכז השמש, כמובן שהדבר מעט יותר מסובך. כאן הפיסיקאים נעזרים בעובדה שהשמש נמצאת בשיווי משקל בין שני כוחות. מצד אחד, השמש נדחסת על ידי כובד משקלה העצמי שמקטין את הנפח שלה ושואף לכווצה. מצד שני, פועלים בליבה של השמש תהליכים גרעיניים חזקים המייצרים אנרגיה רבה אשר שואפת לנפח את השמש ולהרחיב את ממדיה. כיום יש שיווי-משקל בין שני הכוחות הללו והשמש שומרת על רדיוס קבוע. ברגע שידוע הרדיוס וידועה גם המסה של השמש, אפשר לכתוב משוואה המתארת את הקשר ביניהם וממנה למצוא את הטמפרטורה השוררת במרכז השמש. התוצאה היא 15 מיליון מעלות צלסיוס.
אגב, רק בטמפרטורות כה גבוהות מתרחש תהליך ההיתוך הגרעיני שבו הופך גז המימן להליום, ומשתחררת האנרגיה האדירה מן השמש. בזכותה של אנרגיה זו אנו קיימים על פני כדור-הארץ.



האם השמש מסתובבת סביב צירה?


השמש אכן מסתובבת על צירה. היא משלימה סיבוב שלם בערך ב-25 יממות. דבר מעניין בשמש הוא העובדה שהיא חגה מהר יותר בקו-המשווה מאשר בקטבים, אשר חגים יותר לאט ומשלימים הקפה בערך ב-36 יממות. מדידות מראות שהשכבות הפנימיות של השמש נעות כולן בקצב אחיד של הקפה שלמה ב-27 יממות.



מהו הכוכב הקרוב ביותר לשמש?


הכוכב הקרוב ביותר לשמש הוא פרוקסימה קנטאורי, בקבוצת קנטאורי הנראית היטב בשמי חצי כדור-הארץ הדרומי. כוכב זה חבר במערכת הכוכב המשולש אלפא-קנטאורי, שהכוכב המרכזי בה דומה מאד לשמש וצבעו צהוב. פרוקסימה קנטאורי הוא כוכב קטן יותר מהשמש וצבעו אדום, ומרחקו מהשמש 4.22 שנות אור (יותר מ-36 טריליון קילומטר).

מידע על מערכת אלפא-קנטאורי



האם כוכבי לכת שקרובים יותר לשמש סובבים סביב עצמם מהר יותר? וסביבה?


כוכבי-הלכת הקרובים לשמש אכן מקיפים אותה במהירות רבה יותר. את הקשר בין המרחק מהשמש לבין משך ההקפה מצא האסטרונום יוהן קפלר במאה ה-17, על סמך חישובי המסלולים של כוכבי-הלכת. "החוק השלישי" של קפלר קובע שהמרחק של כוכב-לכת מהשמש בחזקה שלישית, חלקי זמן ההקפה בריבוע הוא מספר קבוע. באופן זה ניתן להשוות בין כוכבי-לכת שונים ולדעת את המרחק של כוכב-לכת מהשמש על סמך מדידת זמן ההקפה שלו סביב השמש, ולהפך.
בניגוד למשך ההקפה שתלוי במרחק מהשמש, משך הסיבוב העצמי של כוכב-לכת סביב צירו אינו תלוי במרחק מהשמש. לדוגמא, כדור-הארץ חג על צירו כל 24 שעות, בעוד שכוכב-חמה הקרוב ממנו לשמש עושה זאת כל 59 יממות. צדק, הרחוק יותר מהשמש, משלים סבוב עצמי ב-10 שעות לערך



למה תהפוך השמש בסוף חייה - לננס לבן או לחור שחור?


השמש שלנו נמצאת כעת באמצע מהלך חייה - ויש לה עוד כ-5 מיליארד שנים לערך עד סופם. על פי התצפיות והידע שלנו על כוכבים מסוגה של השמש, כלומר - בעלי אותה מסה ואותו הרכב יסודות (בעיקר מימן והליום) - ניתן לקבוע שבעוד 5 מיליארד שנים תתנפח השמש ותהפוך לענק אדום, כוכב ענק שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר וצבעו כתום-אדום. קוטר השמש יגדל פי 70, והיא תתפשט עד מעבר למסלולו של כוכב-חמה. לאחר מכן, תעיף השמש מעליה את השכבות החיצוניות ותתכווץ לכוכב קטן וזוהר בגווני לבן - ננס לבן. המעטפת החיצונית, בצורת כדור ענק של גז, תיצור "ערפילית פלנטרית" אשר תתפוגג לאיטה אל תוך המרחב הבין-כוכבי. מהליבה יוותר שריד זעיר - ננס לבן, שהוא כוכב קטן וצפוף ביותר - צפיפותו כמיליון גרם לסמ"ק - בעל טמפרטורה של כ-10,000 מעלות.
כוכבים בעלי מסה הגדולה לפחות פי 10 מזו של השמש יסיימו את חייהם בהתפוצצות סופרנובה אדירה, שתפזר את מרבית החומר שבהם אל מרחבי החלל. שאריות ליבת הכוכב יקרסו ויהפכו לכוכב נויטרונים צפוף מאד - יותר מ-1 מיליון טון לסמ"ק. רק ליבתם של כוכבים בעלי מסה התחלתית הגדולה לפחות פי 30 ממסת השמש, תהפוך לחור שחור בתום שלב הסופרנובה.



מה הקשר בין חור שחור לשלבי התפתחות השמש?


האמת היא שאין כל כך קשר בין שלבי התפתחות השמש ולבין חור שחור. השמש איננה מספיק מסיבית בשביל להפוך לחור שחור, ולכן היא תסיים את חייה דרך השלבים ענק אדום וננס לבן, לאחריו היא תדעך ותהפוך לננס אדום קטן וחיוור. רק כוכבים בעלי מסה הגדולה לפחות פי 10 ממסת השמש עוברים דרך תהליך של התפוצצות סופרנובה, שבסופו נשאר שריד קטן ודחוס הקרוי כוכב-נויטרונים. בתנאים מסויימים יכול להמשיך ולקרוס עד שיהפוך לגוף צפוף במיוחד המכונה בשם חור שחור. שימי לב שחור שחור איננו חור בשמיים אלא רק שם ציורי לגוף מאד דחוס וצפוף בעל מסה כבירה שאינו מאפשר לאור ולכל סוגי הקרינה לבקוע החוצה ממנו, ולכן אינו ניתן לתצפית ישירה. מידע נוסף יש בתשובות אחרות במדור שבאתר זה.



מדוע זוהרת השמש?


השמש היא כוכב, והיא זוהרת משום שבתוכה מתרחשים תהליכים אדירי-עוצמה המייצרים אנרגיה.
התהליך נקרא "היתוך מימן" - ובו מתחברים ארבעה גרעינים של היסוד מימן ויוצרים את היסוד הליום. זהו איננו תהליך כימי שבו נוצרות תרכובות, אלא תהליך של חיבור האטומים ליצירת אטום של יסוד חדש. על פי תורת היחסות של איינשטיין, מסה שקולה לאנרגיה. המסה של ארבעת אטומי המימן גדולה במעט מהמסה של אטום ההליום שמתקבל בסוף התהליך, וההפרש הקטן הזה הופך לאנרגיה, אשר נפלטת מפני השמש. בכל שנייה, הופכת השמש כ-600 מיליון טון של מימן להליום ולאנרגיה.
תהליך היתוך גרעיני יכול להתרחש רק בטמפרטורות ובלחצים גבוהים מאד: 15 מיליון מעלות צלסיוס. על פני כדור-הארץ, במעבדות החוקרות תהליכים לייצור אנרגיה, טרם הצליחו להשתלט ולחקות את התהליך הגורם לשמש לזהור. יתכן ובעתיד נוכל לעשות זאת, ואז תיפתרנה כל בעיות האנרגיה של העולם: הרי המימן הוא יסוד שכיח מאד על פני כדור-הארץ - הרי כל מולקולת מים מכילה שני אטומי מימן!.



כשמצלמים את השמש כל יום בשעה 12:00 בצהרים, במשך שנה תמימה, בחשיפה ממושכת, מגלים כי היא יצרה צורת הספרה 8 : מדוע?


צורת הספרה 8 שמתקבלת בתצלומים עוקבים של השמש במהלך שנה, כל יום בשעה 12 בצהרים, נקראת אנלמה. היא נובעת מצורת מסלול כדור-הארץ סביב השמש, שהיא אליפטית ולא מעגלית, ומנטיית ציר כדור-הארץ בזווית 66.5 מעלות ביחס למישור בו הוא מקיף את השמש.
על פי חוקי קפלר אנו יודעים שכאשר כוכב-לכת נמצא קרוב לשמש, הוא נע יותר מהר במסלולו, בעוד שכאשר הוא מרוחק, תנועתו איטית יותר. גם כדור-הארץ משנה את מהירותו במסלולו סביב השמש בין ינואר לבין יולי, שהן הנקודות הקרובה והרחוקה במסלולו, בהתאמה.
מכאן נובע שפעמים נראית לנו השמש איטית, ופעמים היא נראית מהירה.
השילוב של הפרשי המהירויות עם זווית הנטייה של כדור-הארץ גורמת לכך, שהשמש מבצעת מסלול מדומה על גבי כיפת השמיים (מדומה, משום שאנו מסתובבים על צירנו ולא השמש), אשר בכל יום שונה במעט מקודמו.

שתי הסיבות להלן הן בלתי-תלויות, אך כאמור, שילובן הוא זה הגורם לתנועה המוזרה כביכול של השמש כפי שהיא נראית לצופה מכדור-הארץ. בכל יום בשנה השמש "האמיתית" מאחרת או מקדימה, בהתאם לעונת השנה, את השמש הממוצעת. את החישוב המדויק של הזמן ואת הזווית של השמש בשמיים ניתן לקבל על ידי פתרון משוואה מיוחדת הקרויה "משוואת הזמן". צורתה הגרפית של המשוואה יוצרת את הספרה 8, ממש כמו של האנלמה המתגלה בתמונות.

כדאי להציץ באתר מצוין ובו סרטים והסברים על האנלמה , מפות ותכונות חישוב של "משוואת הזמן".



כמה זמן נמשך הסיבוב של כדור הארץ סביב השמש?


משך ההקפה של כדור-הארץ סביב השמש הוא 365.25636 יממות או בדיוק 365 יממות, 6 שעות, 9 דקות ו-9.5 שניות. פרק זמן זה מוגדר ביחס לכוכבי-השבת הרחוקים, ומתאר את הזמן שלוקח לכדור-הארץ לחזור לאותו מקום בחלל אחרי הקפה מלאה סביב השמש. במונחים האסטרונומיים נקרא פרק זמן זה שנה סידרית.


תצלומים ומידע על פעילות השמש בזמן אמיתי


עוד כמה נתונים על השמש:
· רדיוס השמש הוא 696,000 ק"מ.
· מסת השמש היא 1.98 כפול 10 בחזקת 30 ק"ג (יותר מפי 320,000 מכדור הארץ).
· בהירות השמש היא 3.827 כפול 10 בחזקת 26 ג'אול לשנייה.
· טמפרטורת פני השמש - בערך 5800 מעלות.
· צפיפות השמש - 1.4 גרם לסמ"ק.
· השמש מורכבת בעיקר מהגזים מימן והליום
· נתגלו בה גם כמויות זעירות של 70 יסודות נוספים.

ביבליוגרפיה:
כותר: שמש
מחבר: יאיר, יואב (ד"ר)
שם  האתר: לגעת בשמים : אתר אינטראקטיבי בנושא אסטרונומיה
בעלי זכויות : מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית; אוניברסיטת תל אביב. בית ספר לחינוך. המרכז לחינוך מדעי וטכנולוגי
הוצאה לאור: מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית; אוניברסיטת תל אביב. בית ספר לחינוך. המרכז לחינוך מדעי וטכנולוגי
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית