השפעה קוסמית חיצונית. למה זה לא מוקלט?

כל 12,000 ו-24,000 שנים, כוכב הלכת שלנו נמצא תחת השפעה קוסמית חיצונית, ומשפיע ישירות על ליבת כדור הארץ. כתוצאה מכך, מתרחש חימום יתר של הליבה והמאגמה, וזה גורם לאסונות עולמיים על פני כדור הארץ. מה ידוע על השפעות קוסמיות על מערכת השמש?

עובדה ראשונה. השפעה זו מגיעה למערכת השמש באופן מחזורי כל 12,000 שנה, וכל 24,000 שנה היא חזקה יותר. עדות לכך היא מחקרים גיאוכרונולוגיים של מרבצים רבעוניים וניתוח שכבות אפר מהתפרצויות געשיות בליבות קרח^{1, 2, 3} (איור 1, 2).

איור. 1. התפרצויות גלובליות מאז 2013 לספירה עד 100,000 שנים בין 70° ל-קו רוחב צפון ו70° ל-קו רוחב דרום.הפסים מסמנים תקופות בערך כל 12,000 שנה. גודל העיגולים באיור מתאים לקנה המידה של ההתפרצות. מעניין לציין שהעיגולים האדומים הגדולים מצביעים על התפרצויות קטסטרופליות יותר, שהתרחשו בערך כל 24,000 שנה

מקור: Brown, S. K. et al. אפיון תיעוד ההתפרצות הרבעוני: ניתוח מסד הנתונים של התפרצויות געשיות נפץ בגודל גדול (LaMEVE). J Appl. הר געש. 3, 5 (2014). https://doi.org/10.1186/2191-5040-3-5

איור. 2. סולם של פעילות געשית במהלך 40,000 השנים האחרונות בהתבסס על נתוני ליבת קרח

כרונולוגיה של מספר ההתפרצויות הגעשיות מבוססת על תיארוך פחמן רדיואקטיבי של אירועים ומבוטאת כשונות יחסית.

מקור: Bryson, R. A. אפנון וולקני רבעוני מאוחר של כפיית האקלים מילנקוביץ' .Theoretical and Applied Climatology 39, 115–125 (1989)

https://doi.org/10.1007/bf00868307

עובדה שנייה. הפגיעה משפיעה על כל כוכבי הלכת של מערכת השמש (לפרטים נוספים, ראה סעיף "שינויים בכוכבי לכת אחרים של מערכת השמש").

עובדה שלישית. השפעה קוסמית חיצונית משפיעה רק על הליבות של כוכבי הלכת, מה שמשפיע הן על התכונות המגנטיות שלהם (ראה סעיף "שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ") והן על מיקומם של הגרעינים בתוך כוכבי הלכת (ראה סעיף "קפיצת הליבה"). זה נותן סיבה לומר שלהשפעה כזו יש אנרגיה עצומה.

בהתבוננות בכל העובדות לעיל, נשאלת השאלה: מדוע ההשפעה הזו עדיין לא נרשמה ישירות?

הבה נבחן ברצף את כל ההשפעות הפיזיקליות המוכרות כיום על כדור הארץ מהחלל (כבידה, אלקטרומגנטית, אקוסטית, השפעות של קרניים קוסמיות וחומר אפל) והאם הן יכולות לגרום לשינויים בליבת כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים עם מחזוריות של 12,000 שנה.

תרחיש 1. אינטראקציה כבידה

הבה נניח שמערכת השמש, שעפה בחלל החיצון, מוצאת את עצמה באנומליה כבידה הנגרמת על ידי עצמים אחרים. ואז מסלולי השמש עצמה, כל כוכבי הלכת והלוויינים שלהם ישתנו, מכיוון שאינטראקציה גרביטציונית משפיעה על כוכבי הלכת בכללותם. כלומר, זה יעקור את כדור הארץ כולו, ולא רק את הליבה. אבל זה לא קורה.

כמה מדענים מציעים שכוכבי לכת או ענקי גזים שכנים, כמו צדק, המתקרבים לכדור הארץ, יכולים להשפיע על ליבת כדור הארץ באמצעות שדה הכבידה שלהם, ולהזיז אותו. אבל חשוב לציין שהשינויים המתועדים בליבה שלנו התחילו לא בעקירה שלו, אלא בשינוי בתכונות המגנטיות שלו ב-⁴1995 (איור 3). ורק לאחר מכן, ב-1998, התרחשה קפיצת הליבה⁵.

איור. 3. מהירות התנועה של הקוטב המגנטי הצפוני (ק"מ/שנה). ב-1995 נרשמה תאוצה חדה במהירות הסחיפה של הקוטב המגנטי הצפוני פי 3.5, מ-15 ק"מ בשנה ל-55 ק"מ בשנה. השדה האלקטרומגנטי נוצר על ידי מנגנון דינמו בליבת כדור הארץ, ולכן ברור ששינויים בשדה המגנטי מעידים על שינויים בליבת כדור הארץ.

נתוני מיקום קוטב צפוני מגנטי של https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/data/poles/NP.xy :NOAA

השינוי במרכז המסה כבר היה תוצאה של תהליכים המתרחשים בליבה מאז 1995. המשמעות היא שהסיבה לכך אינה יכולה להיות השפעת הכבידה של עצמים גדולים בחלל. בנוסף, מפגשים פלנטריים במערכת השמש מתרחשים במחזוריות של כמה עשורים בלבד. ולכן הם לא יכולים להיות הגורם לשינויים קטסטרופליים בליבה אחת ל-12,000 שנה.

תרחיש 2. חומר אפל

מאפיין של חומר אפל הוא שהוא אינו משתתף באינטראקציה אלקטרומגנטית⁶.

אבל הוא משתתף באינטראקציה הכבידתית, עליה דנו לעיל. המשמעות היא שזה ישפיע על תנועת הכוכבים והכוכבים בכללותם, ולא רק על הליבות שלהם. לפיכך, השפעה קוסמית חיצונית אינה יכולה להיגרם על ידי חומר אפל.

תרחיש 3. אינטראקציה אלקטרומגנטית. פולסר

הבה נניח שמערכת השמש שלנו נפגעה מקרינה אלקטרומגנטית חזקה, למשל, מפולסר (איור 4).

איור. 4. האיור מציג ייצוג אמנותי של הפולסר. הוא פולט שתי אלומות של גלי רדיו (מוצג בסגול). בזמן שהפולסר מסתובב, גלי רדיו זורמים בחלל כמו אורות של מגדלור. מקור: נאס"א

פולסרים הם כוכבי נויטרונים מסתובבים במהירות, ממוגנטים מאוד, שנולדו מפיצוצי סופרנובה שנגרמו כתוצאה מהתמוטטות של כוכבים מסיביים. פולסרים מייצרים קרינה בטווחי הרדיו, האופטי, רנטגן או גמא, ומגיעים לכדור הארץ בצורה של פולסים תקופתיים.

פולסרים פולטים פולסים ממוקדים מאוד של אנרגיות שונות. עם זאת, בנתיב מערכת השמש בגלקסיה אין פולסרים בעלי מחזוריות כה ייחודית שהמרחק ביניהם הוא 12,000 שנה וכל שנייה אחד היה פולט זרם חזק יותר.

תרחיש 4. אינטראקציה אלקטרומגנטית. פיצוץ סופרנובה או התלקחות סולארית

נניח שעל השמש, כתוצאה מהתלקחות, הייתה פליטה עוצמתית של קרינה אלקטרומגנטית לעבר כדור הארץ, או שפולס אלקטרומגנטי הגיע מפיצוץ סופרנובה במעמקי החלל.

עם זאת, זכור שקרינה אלקטרומגנטית, כגון קרני רנטגן וקרני גמא, נספגת בעיקר באטמוספירה (איור 5).

איור. 5. סכימה של מעבר גלים אלקטרומגנטיים באטמוספירה. מחבר: נאס"א מקור תמונה: https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_astronomy#/media/File:Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg

רק שני סוגים של קרינה אלקטרומגנטית יכולים להגיע אל פני כדור הארץ: גלוי ורדיו, אבל הם גם לא מגיעים לליבה.

לפיכך, שום גלים אלקטרומגנטיים ממקור חיצוני לא יכולים להשפיע על מצב הליבה של כוכב הלכת, מכיוון שהם פשוט לא חודרים לעומק כדור הארץ.

תרחיש 5. קרניים קוסמיות

גורם חיצוני נוסף המשפיע על כוכב הלכת מהחלל הוא קרניים קוסמיות. אלו הם חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה: פרוטונים, גרעיני אטום, ניטרינו, אלקטרונים, הנעים במהירויות הקרובות למהירות האור. הם חוץ-גלקטיים, גלקטיים וסולאריים.

רבים מהם, בהשפעת השדה המגנטי של כדור הארץ, מוסטים לכיוון הקטבים, עוקפים את כדור הארץ.

שאר חלקיקי הקרניים הקוסמיות הטעונות מפוזרים באטמוספירה וגורמים לממטרים של חלקיקים אלמנטריים משניים (איור 6) חלקם יכולים להגיע אל פני כדור הארץ, אך לא לליבה.

.

איור. 6. מודל ממוחשב של מטר של חלקיקים יסודיים משניים הנובעים מפרוטון ראשוני באנרגיה של 1 TeV, הפוגע באטמוספירה בגובה של 20 ק"מ. קו החוף מוצג למטה בקנה מידה.

מטר של חלקיקים תת-אטומיים משניים (בעיקר אלקטרונים) נוצר כתוצאה מתגובות מפל מרובות באטמוספירה של כדור הארץ. האב הקדמון של המקלחת הוא חלקיק ראשוני שנכנס לאטמוספירה מהחלל ומגיב עם גרעיני אטומי האוויר.

איור7. ייצוג סכמטי של תהליך ההתפרקות של פרוטונים לחלקיקים שונים ויצירת מטר של חלקיקים משניים. בתרשים, חיצים מציינים חלקיקי בת שאליהם יכולים הפרוטונים להתפרק. חלקיקים אלו יכולים לנוע בין הלפטונים (כגון אלקטרונים) למזונים ובאריונים

ידועים רק שני סוגים של חלקיקים שחודרים מתחת לפני כדור הארץ: מיואונים וניטרינו. מיואונים חודרים לעומק של מאות מטרים לפני שהם מוסטים, מואטים ומתפרקים לכדי אלקטרון וניטרינו. במקרה זה, מיואונים אינם מגיעים לליבה של כדור הארץ.

הניטרינו הם החלקיקים הידועים היחידים מהחלל שיכולים להגיע לליבה של כדור הארץ. לניטרינו באנרגיה גבוהה יש סבירות גבוהה להשפיע על פנים כדור הארץ. עם זאת, זרימתם אינה כה גדולה עד כדי העברת כמות מספקת של אנרגיה לליבה של כדור הארץ כדי שהשינויים הנצפים יתרחשו בו.

וניטרינו בעלי אנרגיה נמוכה עוברים בדרך כלל דרך כדור הארץ מבלי לקיים אינטראקציה עם החומר (איור 8).

איור. 8. ניוטרינו הם נושאי מידע אידיאליים ביקום. (ג) איירין טמבורה

לְסַכֵּם. ניתוח תרחישים של השפעות פיזיקליות ידועות מצביע על כך שאף אחד מהם — קרני כבידה, אלקטרומגנטיות, אקוסטיות, קוסמיות או חומר אפל — לא יכול לפעול ישירות על ליבת הפלנטה ולגרום לשינויים המחזוריים שאנו צופים בכל מערכת השמש.

יש לנו כרגע אינדיקציות עקיפות להשפעות קוסמיות, אבל יש צורך בכלים כדי למדוד אותן. כאנלוגיה, אנו יכולים לצטט את הסיטואציה עם חיפוש אחר הגורם למחלה ברמת המיקרו: אנחנו לא תמיד יכולים למצוא אותה, כי אנחנו לא יודעים על כל הווירוסים והפטריות הקיימים. זה מרמז על הצורך להמשיך לחפש ברמת המיקרו כדי למצוא את הגורם למחלות.

ניתן לתאר את המצב הנוכחי כמגיפה עולמית במערכת השמש שלנו, שבה כל כוכבי הלכת חשופים להשפעה קוסמית חיצונית. שינויים נצפים אפילו בענקי גזים, שבהם מתרחשות כל הזמן תגובות גרעיניות. זה מצמצם משמעותית את אזור החיפוש להבנת מקורות ההשפעה הקוסמית החיצונית, מה שמעיד על הצורך במחקר ברמת המיקרו-עולם.

כאן אנו עומדים בפני סוג אחר של פיזיקה, שאת ההשערה שלה ניתן למצוא בסעיף "מהי השפעה קוסמית". אם מדענים היו יכולים לבצע מדידות ישירות בגרעין, הם היו משתמשים בשיטת אי הכללה הדומה לניטור מינון בכור גרעיני. עם זאת, אין לנו גישה ישירה לליבה. לכן, ברגע הנוכחי, שטף הנייטרינו מגרעין הנייטרונים יכול לספק מידע נוסף על התהליכים המתרחשים בגרעין.

כדי למנוע אירועים קטסטרופליים על פני כדור הארץ, נדרש שמיטב המוחות של האנושות יתאחדו וייווצרו התנאים הדרושים לפתרון המשימה המורכבת הזו — לימוד והגנה על כוכב הלכת שלנו מפני השפעה קוסמית חיצונית.

ביבלוגרפיה:  

1. ארושאנוב מ.ל. דינמיקת אקלים. גורמי חלל. המבורג :LAMBERT Academic Publishing, 2023. עמוד 33.

2. בראון, S.K. et al. אפיון תיעוד ההתפרצות הרבעוני: ניתוח מסד הנתונים של התפרצויות געשיות נפץ בגודל גדול      (LaMEVE). J Appl. הר געש. 3, 5 (2014).

https://doi.org/10.1186/2191-5040-3-5

3. ברייסון, ר.א. אפנון וולקני רבעוני מאוחר של כפיית האקלים מילנקוביץ'. Theoretical and Applied Climatology 39, 115–125 (1989)

https://doi.org/10.1007/bf00868307

4. Viterito, A. 1995: נקודת פיתול חשובה בהיסטוריה הגיאופיזית האחרונה. Int J Environ Sci Nat Res 29, 556271 (2022) 

https://doi.org/10.19080/ijesnr.2022.29.556271

5. שינויים פתאומיים במגמות של תופעות גיאודינמיות וגיאופיזיות בשנים 1997-1998. מחברים: Barkin Yu. V., Smolkov G. Ya. ועידה כל-רוסית לפיזיקה סולארית-ארצית, המוקדשת למלאת 100 שנה להולדתו של החבר המקביל ב- RAS V. E. Stepanov (16 - 21 בספטמבר 2013, אירקוטסק), אירקוטסק, 2013.

6. Bertone, G. & Hooper, D. היסטוריה של החומר האפל. לְהַאִיץ. מוד. פיזי. 90, 045002 (2018).

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.90.045002