לא משנה מאיזו נקודת מבט תבחרו להסתכל על זה, כדור הארץ תמיד בתנועה. כוכב הלכת שלנו מסתובב על צירו ברציפות, מסתובב ומשלים סיבוב מלא של 360 מעלות בערך פעם ביום. בזמן שאנחנו מסתובבים, אנחנו גם מסתובבים סביב השמש, ומשלימים מסע של כמעט מיליארד קילומטרים בכל שנה. יתרה מכך, מערכת השמש כולה - שמש, כוכבי לכת, ירחים והכל - נעה דרך גלקסיית שביל החלב, סובבת סביב המרכז הגלקטי בטווחי זמן גדולים בהרבה מהזמן בו האנושות תקיימת. ולבסוף, גלקסיית שביל החלב נעה בתוך הקבוצה המקומית, אשר בעצמה נעה בחלל הבין-גלקטי.
בהתאם למה שאנו מודדים את התנועה שלנו ביחס אליו, נוכל לכמת באיזו מהירות כוכב הלכת כדור הארץ נע ביקום. למרות שהתנועה שלנו בקושי ניתנת לזיהוי באמצעות הניסויים שאנו יכולים לבצע כאן על כדור הארץ, מבט אל היקום מאפשר לנו להבין בדיוק כיצד אנו בתנועה בכל אחת מהסקלות. כך אנו יודעים מהי התנועה הקוסמית שלנו, מכל מרכיב בודד ועד להשפעות המצטברות של הכל ביחד.
המבט הזה על כדור הארץ מגיע אלינו באדיבות הגשושית מסנג'ר (MESSENGER) של נאס"א, שביצעה מספר מעברים קרובים לכדור הארץ ולנוגה על מנת לחסוך בכמות הדלק הנדרשת למסע ליעד הסופי שלה: כוכב חמה. לא ניתן להכחיש את כדור הארץ המסתובב ואת תכונותיו, שכן סיבוב זה מסביר מדוע כדור הארץ תפוח במרכזו, ודחוס בקטבים ובעל קוטר משווני וקוטבי שונים. ובכל זאת, הקוטר הממוצע של כדור הארץ הוא קצת פחות מ-13,000 קילומטרים, והוא שונה בפחות מ-1% בכיוונים הקוטביים והמשווניים. (Credit: NASA/MESSENGER)
כמה מהר מסתובב כדור הארץ?
לשאלה הזו, למרות שהיא עשויה להישמע פשוטה, יש תשובה משתנה התלויה בהיכן, בדיוק, אתם נמצאים על פני כדור הארץ. כוכב הלכת כדור הארץ הוא גוף קשיח (rigid body), כלומר מסות היבשה נשארות קבועות יחסית זו לזו לאורך זמן. כאשר כדור הארץ מסתובב סביב צירו, כמעט כל נקודה על פני השטח משלימה סיבוב מלא תוך קצת פחות מ-24 שעות: 23 שעות, 56 דקות ו-4.09 שניות, ליתר דיוק.
הסיבה שאנו מקצים 24 שעות ליום היא כי התנועה הפלנטרית שלנו סביב השמש - העובדה שאנו לא מסתובבים רק על הציר שלנו, אלא מסתובבים גם סביב השמש - משנה את מיקומנו בחלל ביחס למקום בו היינו כאשר היום הקודם התחיל. תוספת התנועה הזו אומרת שכוכב הלכת שלנו צריך להסתובב במעט יותר מ-360° כדי לעבור מזריחה לזריחה או משקיעה לשקיעה.
לעתים קרובות מצוטט שכוכב הלכת שלנו הוא ברדיוס של כ-6371 קילומטרים, אבל זה רק בממוצע. במציאות, יש לנו לא רק מאפיינים טופוגרפיים מקומיים כמו הרים, עמקים ואוקיינוסים, אלא שהכוכב כולו תפוח בקו המשווה ודחוס מעט בקטבים. הר הגעש הרדום הר צ'ימבורסו הוא הנקודה הרחוקה ביותר ממרכז כדור הארץ, בגובה 6384.4 קילומטרים, בעוד שגובה פני הים בקוטב הצפוני נמצא רק 6356 ק"מ ממרכז כדור הארץ.
לנסוע פעם אחת סביב מסלול כדור הארץ בנתיב סביב השמש הוא מסע של 940 מיליון קילומטרים. 3 מיליון הקילומטרים הנוספים שכדור הארץ עובר בחלל, ביום, מבטיחים שסיבוב של 360 מעלות על הציר שלנו לא יחזיר את השמש לאותו מיקום יחסי בשמים מיום ליום. זו הסיבה שהיום שלנו ארוך מ-23 שעות ו-56 דקות, שזה הזמן הנדרש לסיבוב של 360 מעלות. (Credit: Larry McNish at RASC Calgary Centre)
ובכל זאת, כוכב הלכת כולו משלים סיבוב אחד של 360 מעלות באותו מרווח זמן של קצת פחות מ-24 שעות, כלומר מישהו שנמצא במרחק הגדול ביותר ממרכז כדור הארץ בקו המשווה - קו רוחב 0° - נע במהירות של 1676 קילומטרים לשעה, אבל ככל שקו הרוחב גבוה יותר, נעים לאט יותר בגלל סיבוב כדור הארץ. מישהו בקו הרוחב 45° נע במהירות של 1183 קמ"ש בלבד, ומישהו בקוטב הצפוני או הדרומי לא נע בכלל; הוא פשוט ישלים סיבוב תוך שהוא תמיד נשאר בקוטב הגיאוגרפי של כדור הארץ.
יש מספר השלכות מרתקות הקשורות לעובדה שכדור הארץ הוא כוכב לכת שמסתובב על צירו:
התאוצה עקב כוח הכבידה חזקה מעט יותר בקווי רוחב גבוהים יותר, שכן קירבה גדולה יותר למרכז כדור הארץ פירושה תאוצה חזקה יותר. בסך הכל, תאיצו בכ-0.5% מהר יותר בקטבים מאשר בקו המשווה.
התנועה המהירה יותר של כדור הארץ בקו המשווה פירושה שזה צורך פחות אנרגיה לשגר אובייקט לחלל ככל שהוא קרוב יותר לקו הרוחב 0°, וזו הסיבה ששיגור טילים יבשתיים מתרחש כמעט אך ורק באזורים הטרופיים.
והעובדה שיש לנו גאות ושפל מהירח והשמש פירושה שכדור הארץ חווה אפקט "בלימה" קל לאורך זמן. עם כל שנה שעוברת, היום הופך בסביבות 14 ננו-שניות ארוך יותר מהשנה שקדמה לה. באקסטרפולציה של לפני כ-4 מיליארד שנים, בשלבים המוקדמים של מערכת השמש, כוכב הלכת שלנו הסתובב פי 3 עד 4 מהר יותר, כלומר יום היה מורכב מ-6 עד 8 שעות בלבד, לא 24 שעות.
כדור הארץ מקיף את השמש לא במעגל מושלם, אלא באליפסה. האקסצנטריות, או ההבדל בין "הציר הארוך" ל"ציר הקצר" של מסלולנו, משתנה עם הזמן, בעוד שתקופת מסלול כדור הארץ-שמש, המגדירה את השנה שלנו, משתנה באיטיות במהלך חיי מערכת השמש שלנו. כאשר השמש מאבדת מסה באמצעות E = mc^2, כדור הארץ מסתחרר באיטיות החוצה, ומגדיל את מרחק המסלול שלו בכ-1.5 ס"מ בשנה. (Credit: NASA/JPL-Caltech)
כמה מהר נע כדור הארץ סביב השמש?
סיבוב כדור הארץ נותן לנקודה המהירה ביותר על פני כוכב הלכת שלנו מהירות של 1676 קמ"ש, שמתורגמת לכ-0.47 קילומטרים לשנייה. אבל בהשוואה למהירות שבה כדור הארץ מסתובב סביב השמש, תנועת הסיבוב שלנו זניחה.
במרחק שלנו מהשמש של כ-150 מיליון קילומטרים, מסת השמש קובעת באיזו מהירות כוכב הלכת - או כל לוויין, לצורך העניין - יצטרך לנוע כדי להישאר יציב, כמעט מסלול מעגלי. מהירות זו מגיעה לקצת פחות מ-30 קילומטרים לשנייה, בממוצע, כאשר המהירות האמיתית של כוכב הלכת שלנו משתנה לאורך השנה כאשר כוכב הלכת שלנו נע מהנקודה הקרובה ביותר שלו לשמש (פריהליון) לרחוקה ביותר (אפליון). בנקודה המהירה ביותר, כדור הארץ נע במהירות של 30.29 קילומטרים לשנייה, בעוד באיטית ביותר הוא נע במהירות של 29.29 קילומטרים לשנייה בלבד: הבדל של כ-3%.
כוכבי הלכת הפנימיים מסתובבים מהר יותר, כאשר כוכב חמה נע הכי מהר בסביבות 47 קילומטרים לשנייה, וכל כוכב לכת מסתובב לאט יותר ככל שאנו מתרחקים החוצה, כל הדרך החוצה עד לנפטון במהירות של 5.4 קילומטרים לשנייה בלבד. אבל בדיוק כפי שהתנועה הסיבובית של כדור הארץ סביב השמש עולה בהרבה על סיבוב כוכב הלכת שלנו סביב צירו, ישנן תנועות קוסמיות אחרות שעולות בהרבה על תנועת כדור הארץ סביב השמש.
מודל מדויק של האופן שבו כוכבי הלכת מקיפים את השמש, אשר נעה דרך הגלקסיה בכיוון תנועה שונה. המרחק של כל כוכב לכת מהשמש קובע את כמות הקרינה והאנרגיה הכוללת שהוא קולט, אבל זה לא הגורם היחיד שמשחק בקביעת הטמפרטורה של כוכב לכת. בנוסף, השמש נעה דרך גלקסית שביל החלב, אשר נעה דרך הקבוצה המקומית, אשר נעה דרך היקום הנצפה. (Credit: Rhys Taylor)
כמה מהר נעה מערכת השמש דרך גלקסית שביל החלב?
אם השמש הייתה מסיבית יותר, כוכבי הלכת היו צריכים להקיף מהר יותר כדי לשמור על מיקומם הנוכחי; זה טבעה של הכבידה. ובכן, גלקסיית שביל החלב עצמה מכילה מאות מיליארדי כוכבים, ואפילו במרחק המשמעותי שלנו מהמרכז הגלקטי - כמעט 27,000 שנות אור - השמש ושאר הכוכבים בסביבתנו נמשכים למסלולים אליפטיים סביב מרכז הגלקסיה שלנו.
כדי להשלים הקפה מלאה סביב שביל החלב לוקח זמן רב מאד: איפשהו בין 220 ל-250 מיליון שנה, כלומר בפעם האחרונה שהיינו במיקום הזה ביחס לשביל החלב, הדינוזאורים הראשונים רק החלו להופיע.
ההערכה היא שמהירות השמש שלנו סביב מרכז שביל החלב היא אי שם בסביבות 220 קילומטרים לשנייה: בערך פי שבעה מתנועת כוכב הלכת שלנו סביב השמש. יש אי ודאות בנתון הזה של בערך 20 קילומטרים לשנייה: אנחנו יודעים רק כמה מהר אנו נעים דרך שביל החלב בדיוק של כ-10%. ערך זה, של בערך 20 קילומטרים לשנייה, הוא גם בערך המהירות שבה נעים הכוכבים הסמוכים בהם אנו צופים ביחס אלינו. מכל הדרכים השונות שבהן כדור הארץ (בהיותו חלק ממערכת השמש) נע ביקום, התנועה שלנו דרך שביל החלב היא המרכיב האחד עם חוסר הוודאות הגדול ביותר.
למרות שהשמש מסתובבת בתוך המישור של שביל החלב, כ-25,000-27,000 שנות אור מהמרכז, כיווני המסלול של כוכבי הלכת במערכת השמש שלנו אינם מתיישרים עם הגלקסיה כלל. ככל שאנו יכולים לומר, מישורי המסלול של כוכבי הלכת מתרחשים באופן אקראי בתוך מערכת כוכבים, לעתים קרובות מיושרים עם מישור הסיבוב של הכוכב המרכזי אך מיושרים באקראי עם מישור שביל החלב, שכן מומנטים מקומיים ממסות קרובות יכולים לספוג את ההשפעות של הסיבוב הגלקטי הכולל. (Credit: Science Minus Details)
כדאי גם לציין שתנועת כוכבי הלכת סביב השמש אינה מיושרת בצורה מושלמת עם תנועת השמש ומערכת השמש דרך הגלקסיה. בעוד שמערכת השמש סובבת בערך במישור שביל החלב - מישור שקוטרו קצת יותר מ-100,000 שנות אור אך עוביו כ-2,000 שנות אור בלבד - המישור שבו כוכבי הלכת עצמם מקיפים את השמש נוטה בערך ב-60 מעלות ביחס לתנועה שלנו בגלקסיה.
כתוצאה מכך, התנועה המצטברת שלנו על פני כדור הארץ, דרך שביל החלב, יכולה להשתנות מ-208 עד 237 קילומטרים לשנייה, תלוי אם כדור הארץ נע באותו כיוון שבו נעה מערכת השמש דרך הגלקסיה או בכיוון ההפוך; זה משתנה במהלך שנה. למרות שמערכת השמש עצמה ללא ספק נעה באליפסה סביב מרכז שביל החלב, אין לנו ערך טוב למידת האקסצנטריות של המסלול (כלומר, מה ההפרש בין הנקודה הקרובה ביותר לנקודה הרחוקה ביותר למרכז הגלקטי). למרות שסביר להניח שזה קצת מתחת ל-10%, העובדה היא שהתקרבויות לכוכבים אחרים, המתרחשות באקראי כמה פעמים בכל מיליון שנים, משנות ללא הרף את הפרמטרים של המסלול שלנו דרך הגלקסיה. בסביבה מבולגנת כמו זו, הפתגם הדני הישן ש"קשה לתת תחזיות, בעיקר לגבי העתיד", חל בבירור.
סדרה של תמונות המציגות את מיזוג שביל החלב ואנדרומדה, וכיצד השמיים ייראו שונים מכדור הארץ בזמן שזה יתרחש. כאשר שתי הגלקסיות הללו יתמזגו, החורים השחורים העל-מסיביים שלהן צפויים להתמזג גם כן. נכון לעכשיו, שביל החלב ואנדרומדה נעים אחד לעבר השני במהירות יחסית של בערך 109 קילומטרים לשנייה. (Credit NASA; Z. Levay and R. van der Marel, STScI; T. Hallas; A. Mellinger)
כמה מהר שביל החלב נע בתוך הקבוצה המקומית?
עוצמת כוח הכבידה בין שני עצמים מאסיביים קובעת באיזו מהירות הם מאיצים אחד כלפי השני בהשפעתם ההדדית, וההאצה, לאורך זמן, מובילה את אותן מסות לנוע במהירות בחלל. אפילו כשכדור הארץ מסתובב על צירו ומסתובב סביב השמש, ובזמן שמערכת השמש כולה מסתובבת דרך שביל החלב, יש תנועות קוסמיות גדולות יותר במשחק. האחת הקרובה ביותר לבית מתרחשת ממש כאן בקבוצה המקומית שלנו, שבה גלקסיית שביל החלב היא השנייה בגודלה מבין אולי 60 גלקסיות בודדות, כולן כרוכות יחד.
הגלקסיה הגדולה והמסיבית ביותר בקבוצה המקומית היא אנדרומדה, הממוקמת במרחק של כ-2.5 מיליון שנות אור וכנראה מכילה מסה כפולה משביל החלב. אנדרומדה רחוקה מכדי שנוכל למדוד במדויק כיצד המיקום שלה משתנה לאורך זמן - לפחות, בטווחי זמן אנושיים - אבל אנחנו יכולים למדוד את מהירותה לאורך קו הראייה שלנו אליה. בהתבסס על ההסחה לכחול הקוסמית של הקווים הספקטרליים שאנו צופים בהם, אנו יכולים לדעת כי אנדרומדה נעה לעבר השמש שלנו במהירות של 301 קילומטרים לשנייה.
כאשר אנו מביאים בחשבון את הכיוון והמהירות שבהם נעה השמש דרך שביל החלב, אנו יכולים לקבוע ששביל החלב ואנדרומדה דוהרות זו לעבר זו במהירות של 109 קילומטרים לשנייה; אנחנו במסלול התנגשות שאמור להגיע לשיאו עם מיזוג גלקטי גדול שיתחיל בעוד כ-4 מיליארד שנים.
הגלקסיות השונות של צביר העל בתולה, מקובצות יחד. בקנה מידה הגדול ביותר, היקום הוא אחיד, אך ככל שמסתכלים על קני המידה של גלקסיות או צבירים, אזורים צפופים ודלילים שולטים. קבוצות הגלקסיות והצבירים הבודדים בתוך המבנה הגדול יותר הזה יישארו כרוכים בכבידה, בנפרד, אבל הקבוצות המרכיבות את המבנה הגלוי, הגדול יותר, אינן כרוכות יחד. ככל שהיקום מתרחב, הן ייעלמו אחת מהשניה. (Credit: Andrew Z. Colvin/ Wikimedia Commons)
כמה מהר נעה הקבוצה המקומית בחלל הבין-גלקטי?
לבסוף, יש את קנה המידה הגדול מכולם שנוכל לחקור רק לאחר שנמפה את האוסף המלא של קבוצות גלקסיות, צבירים, צבירי-על ומבנים גדולים אף יותר ביקום. העצמים המאסיביים האחרים ביקום הסמוך שלנו כולם מושכים אותנו, בעוד שהאזורים הלא-צפופים - אלו שוויתרו על החומר שהיה להם פעם לאזורים הצפופים יותר סביבם - מושכים אותנו בכוח שהוא הרבה מתחת לממוצע הקוסמי, מה שהופך אותם, למעשה, דוחים.
רוב כוח המשיכה סביב הקבוצה המקומית שלנו מגיע באדיבות צביר העל בתולה, שמושך אותנו אליו בכ-300 קילומטרים לשנייה ביחס לשאר התנועה הקוסמית שלנו. עם זאת, מצד שני של השמיים, מול מרכז צביר בתולה, נמצא אזור דליל משמעותית של החלל. בעוד שהאזורים המסיביים ידועים כצבירים, האזורים הדלילים ידועים כחלל ריק, והחלל הריק שיש לנו למעשה דוחה אותנו ממנו, גם הוא בערך ב-300 קילומטרים לשנייה.
עם צביר גדול ומסיבי בצד אחד שלנו וחלל דליל ודל חומר בצד הנגדי, כוחות המשיכה והדחיה מצביעים שניהם לאותו כיוון, וכתוצאה מכך נוצרת תנועה נטו של כ-600 קילומטרים לשנייה לקבוצה המקומית שלנו.
מכיוון שהחומר מופץ באופן אחיד בערך בכל היקום, לא רק האזורים הצפופים בדחיסות משפיעים על תנועות הכבידה שלנו, אלא גם האזורים הדלילים. תכונה המכונה דוחה דיפול (dipole repeller), המודגמת כאן, התגלתה רק לאחרונה ועשויה להסביר את התנועה המיוחדת של הקבוצה המקומית שלנו ביחס לאובייקטים האחרים ביקום. (Credit: Y. Hoffman et al., Nature Astronomy, 2017)
אז מהי מהירות התנועה הכוללת והמצטברת שלנו בחלל?
כאשר מחברים את כל התנועות הללו יחד:
כדור הארץ מסתובב על צירו,
כדור הארץ סובב סביב השמש,
השמש נעה דרך הגלקסיה,
שביל החלב נע לכיוון אנדרומדה,
והקבוצה המקומית נמשכת לאזורים צפופים סמוכים ונדחית על ידי אזורים דלילים סמוכים,
אנו יכולים לקבל ערך למהירות שבה אנו נעים ביקום בכל רגע נתון.
בסך הכל, התנועה הכוללת שלנו בחלל מגיעה לכ-368 קילומטרים לשנייה בכיוון מסוים: לכיוון קבוצת הכוכבים אריה. במהלך שנה, זה יכול להשתנות עד בערך 30 קילומטרים לשנייה, מונע בעיקר על ידי התנועה המשתנה של כדור הארץ סביב השמש. זה מאושש על ידי מדידות של קרינת הרקע הקוסמית, שנראית חמה יותר בכיוון אליו אנו נעים (לכיוון אריה), וקרה יותר בכיוון המנוגד לתנועה שלנו (התרחקות מקבוצת הכוכבים דלי).
למרות שקרינת הרקע הקוסמית (CBM) היא בערך באותה טמפרטורה בכל הכיוונים, ישנן סטיות של 1/800 בכיוון מסוים: עקביות עם התנועה שלנו ביקום. ב-1/800 המגניטודה הכוללת של משרעת ה-CMB עצמה, זה תואם לתנועה של בערך 1/800 מהירות האור, או בערך 368 קילומטרים לשנייה מנקודת המבט של השמש. (Credit: J. Delabrouille et al., A&A, 2013)
בהתעלם מהשינויים בתנועה השנתית שלנו, אנו יכולים לקבוע שהשמש נעה ביחס לקרינת הרקע הקוסמית במהירות 368 קילומטרים לשנייה, עם אי ודאות לנתון זה של ± 2 קילומטרים לשנייה בלבד. כאשר משתמשים בכל סט המדידות שעשינו, נוכל לחשב את התנועה של הקבוצה המקומית ביחס למבנה המקיף של היקום בקנה מידה גדול: 627 ± 22 קילומטרים לשנייה, בתנועה לכיוון קבוצת הכוכבים קנטאור. אי הוודאות בנתון זה, של ± 22 קילומטרים לשנייה, נובעת כמעט לחלוטין מאי הוודאות בתנועת השמש סביב המרכז הגלקטי: המרכיב הקשה ביותר למדידה של התנועה המצטברת שלנו.
אם אתם רוצים לדעת באיזו מהירות כדור הארץ נע ביקום, עליכם לשאול את השאלה "ביחס למה?" אתם שואלים רק על הסיבוב שלו? על תנועתו ביחס לשמש? יחסית לשביל החלב? הקבוצה המקומית? המבנה בקנה מידה גדול של היקום? או שאריות ההילה שנותרה מהמפץ הגדול עצמו: קרינת הרקע הקוסמית?
בכל רחבי היקום, שום דבר אינו סטטי, נייח ומבודד. כיום, אנו יודעים כיצד אנו נעים ביקום בכל קנה מידה. בעתיד, כשתהיה לנו מפה טובה יותר של הגלקסיה שלנו, אולי נוכל לחזות את התנועה העתידית שלנו דרך הקוסמוס בדיוקים שכיום בקושי ניתן להעלות על הדעת.
מקורות:
