שמש

מסת השמש היא 1.989×10³⁰ ק"ג וקוטרה 1.392×10⁶ ק"מ. צפיפותה הממוצעת היא איפוא 1.4 גרם/סמ"ק, כשליש מצפיפותו הממוצעת של כדור הארץ. חומר השמש כולל 71% מימן ו-26% הליום, וכן כמויות קורט של יסודות כבדים יותר. ההליום התגלה בשמש, בשיטות ספקטרוסקופיות, קודם שנתגלה בכדור הארץ, ומכאן שמו (הליוס הוא אל השמש היווני).

השמש נוצרה לפני 4.6 מיליארד שנה, עקב קריסתו של ענן גז ואבק בין-כוכבי, בתהליך ההיווצרות הרגיל של כוכבים. באותה עת נוצרה סביבה, משרידי הענן, מערכת השמש כולה. לפי הדגמים האסטרופיסיקליים המקובלים, השמש תתקיים ככוכב הסדרה העיקרית במשך 10 מיליארד שנה בערך, בסך הכול. במועד זה (בעוד יותר מ-5 מיליארד שנה מזמננו) יאזל דלק המימן שלה, והיא תהפוך לכוכב ענק אדום. בשלב זה תתנפח האטמוספירה השמשית, תבלע את כוכב-חמה וכנראה גם את נוגה, ותהפוך את כדור הארץ ואת מאדים לגושי אפר. גם כוכבי הלכת החיצוניים ישנו כליל את צורתם המוכרת לנו. בהמשך, כעבור כמה עשרות או מאות מיליוני שנים, תהפוך השמש לננס לבן, ותשאיר אחריה גם ערפילית פלנטית הולכת ומתרחבת.

השמש נמצאת במרכז מערכת השמש

חלקה המרכזי של השמש הוא הליבה. הצפיפות בה גבוהה מאוד (160 גרם/סמ"ק), בגלל הלחץ הכבד שמפעילה משיכת הכבידה של מסת השמש (300 מיליארד אטמוספירות). הטמפרטורה במרכז הליבה מגיעה עד כדי 15 מיליון קלווין (כ-15 מיליון מעלות צלזיוס), ויורדת עד 13 מיליון קלווין בשולי הליבה. בטמפרטורה זו, האלקטרונים נתלשים מעל גרעיני האטומים, וגרעינים אלה מתנגשים זה בזה בתכיפות רבה, ולעתים מתמזגים. זהו תהליך ההיתוך הגרעיני, שבו הופכים ארבעה גרעיני מימן לגרעין הליום. תהליך זה מלווה בפליטת אנרגיה רבה, בדמות קרינה אלקטרומגנטית עתירת אנרגיה.

מבנה השמש

קוטרה של ליבת השמש הוא 0.35 מיליון ק"מ, ונפחה רק 1.5% מנפח השמש כולה. אולם מרוכזת בה כמחצית ממסת השמש.

מסביב לליבה מצוי איזור הביניים, או איזור הקרינה, שהטמפרטורה בו (כ-6 מיליון קלווין) נמוכה מכדי שיתרחש בו תהליך גרעיני. החומר באיזור זה מצוי במצב הצבירה הקרוי פלסמה, והקרינה חוצה אותו בדרכה אל פני השמש. איזור זה, התופס את רוב הנפח השמש, מסתיים במרחק של 150,000 ק"מ מפני השמש.

מעבר לאיזור הקרינה נמצא איזור ההסעה: שכבה של גז לוהט, שבה פוגעת הקרינה שעברה את איזור הביניים. כאן מצוי החומר במצב גזי "אמיתי". התנהגותו של גז זה דומה להתנהגות כל הזורמים (נוזלים וגזים) בעת שפוגעת בהם קרינה: מתחוללת בו התופעה הקרויה הסעה (קונווקציה), כלומר, גושי גז שהתחממו מן הקרינה נעים כלפי מעלה, ואת מקומם תופסים גושי גז צוננים יחסית השוקעים מטה. לפי הסברה, איזור ההסעה מחולק לשלוש שכבות שונות שבכל אחת מהן מתרחשת הסעה נפרדת, אך הדבר עדיין אינו ברור די הצורך.

אנרגיית ההיתוך, שהחלה את דרכה כקרינה אלקטרומגנטית והפכה לחום מוסע, מועברת מכאן אל השכבה החיצונית של השמש, הפוטוספירה שעומקה רק כ-500 ק"מ. כאן חוזרת האנרגיה והופכת לקרינה אלקטרומגנטית הנפלטת מן השמש, בדמות אור נראה, חום (קרינה תת-אדומה), קרינה על-סגולה ורכיבים אחרים של הספקטרום, כמו קרני רנטגן וגלי רדיו. בפוטוספירה מתנהלת פעילות פיסיקלית מרובה, כמתואר להלן. הטמפרטורה שלה נעה בין 6,000 קלווין בתחתיתה ל-4,000 בחלקה העליון.

מעל הפוטוספירה נמצאת אטמוספירת השמש. זו מתחלקת לשני חלקים: הכרומוספירה הדלילה והשקופה, שבה הטמפרטורה ועולה מ-4,000 קלווין לסביבות 50,000, ועוביה כמה אלפי קילומטרים. מעל הכרומוספירה נמצאת העטרה, המשתרעת למרחק מיליוני קילומטרים וגבולה העליון אינו מסוים, שכן היא מתמזגת בהדרגה ברוח השמש - זרם החלקיקים המסיביים (להבדיל מהפוטונים חסרי המסה של הקרינה האלקטרומגנטית) הבוקעים מהשמש ומתפשטים ברחבי מערכת השמש. למרבה ההפתעה, טמפרטורת העטרה גבוהה ביותר, ועולה על 2 מיליון קלווין. בדרך כלל, אזורים אלה אינם נראים בתצפית, משום שהקרינה הנפלטת מהם זעירה ביחס לקרינת הפוטוספירה, אך אפשר להבחין בהם בעת ליקוי חמה, כאשר הפוטוספירה מוסתרת.

כאמור, הפוטוספירה היא השכבה שבה מתנהלת פעילות השמש המשפיעה על כל הסובב אותה, ובכלל זה על עולמנו. בתוך הפוטוספירה רוחש חומר גזי עתיר אנרגיה, מיונן בחלקו, והוא שקוף לקרינה המגיעה מתחת, וכן פולט קרינה משלו עקב תנועתם של האטומים המיוננים שבו.

חומר זה רגיש מאוד לשינויים בשדה המגנטי של השמש, שמקורו בליבה. שלוש התופעות העיקריות שאפשר לזהות בו בתצפית הן כתמי השמש, אבוקות, שהן התלקחויות פתאומיות של אזורים קטנים על פני השמש, הפולטות כמות מרובה של חלקיקים (זהו מרכיב מרכזי בהיווצרות רוח השמש), והתפרצויות, שהן מעין מזרקות ענק של חומר המתרוממות מעל פני השמש לגובה של עשרות ואף מאות אלפי קילומטרים, ופולטות אף הן קרינה וחומר.

אבוקות והתפרצויות חזקות במיוחד עשויות להשפיע על המתרחש בכדור הארץ ובקרבתו - שיבוש שידורי רדיו, פגיעה בלוויינים ואף הפלת רשתות חשמל. למעשה, זוהי הבעיה החמורה ביותר על דרך התפתחותו של חקר החלל המאויש: יציאת בני אדם אל מחוץ למגנטוספירה המגוננת על החיים הארציים תחשוף אותם לפגיעתם של אירועי שמש. טרם הוצע פתרון מניח את הדעת לבעיה זו.

הגורם החשוב ביותר ביצירת התופעות הללו הוא השדה המגנטי של השמש. לפי הסברה המקובלת כיום, מקורו של השדה המגנטי הראשי של השמש נעוץ במהירויות הסיבוב הנבדלות של שכבות השמש השונות. השמש אינה מסתובבת על צירה באופן אחיד: הפוטוספירה ושכבת ההסעה משלימות סיבוב מלא ב-26 יממות ארציות בקרבת קו המשווה של השמש, אבל בקרבת הקטבים דרושות 37 יממות להשלמת סיבוב. לעומת זאת, הליבה ואיזור הקרינה שמעליה נעים כגוף אחיד במהירות קבועה, ומשלימים סיבוב ב-27 יממות ארציות. ברובד המגע שבין איזור הקרינה ואיזור ההסעה יש איפוא תנועת גזירה (shear) חזקה, האחראית לשדה המגנטי הראשי של השמש. אחת ל-11 שנה בממוצע מתהפכת קוטביותו של השדה המגנטי השמשי הראשי: הקוטב הצפוני נעשה דרומי, ולהפך. היפוך זה אחראי למחזוריותם של כתמי השמש.

אולם יש בשמש גם שדות מגנטיים משניים מרובים מאוד, עקב זרימות מערבולת של הפלסמה, ושינוייהם - בעיקר בפוטוספירה ומעליה - גורמים לתופעות השמשיות המתוארות לעיל.

חקר השמש הפך לענף עצמאי באסטרונומיה במרוצת המאה ה-19, אף שגם לפני כן צפו אסטרונומים רבים בשמש ותיעדו את תופעותיה השונות. מחמת תנאי הצפייה הקשים (בהירותה הנראית של השמש היא 26.7-, אף שבהירותה המוחלטת היא רק 4.8), היה צורך לפתח טלסקופי שמש מיוחדים ומכשירים ייעודיים אחרים.

כתמי השמש, האבוקות וההתפרצויות היו בין התופעות הראשונות שנחקרו. במשך זמן רב, חלקיה הידועים ביותר של השמש היו העטרה והכרומוספירה, שכן באלה אפשר לצפות במהלך ליקויי חמה. מתוך תצפיות בכתמי השמש שנעשו במאה ה-19 התברר שהשמש סובבת סביב צירה, וכי זמן הסיבוב הממוצע שלה הוא 25.4 יממות ארציות, אולם כאמור, אין הוא קבוע בכל חלקיה: הסיבוב מהיר יותר בקו המשווה ואטי יותר באזורי הקוטב. משום כך צורתה של השמש אינה כדורית מושלמת, אלא פחוסה במקצת.

הבנת המתרחש בתוך השמש פנימה נאלצה להמתין עד לתיאורו המלא של תהליך ההיתוך, המסתמך על מכניקת הקוונטים, בשנות ה-30 של המאה ה-20. בעקבות זאת פותח דגם פנים השמש כפי שתואר לעיל. תחום מחקר אחר שהתפתח בנפרד הוא ההליוסייסמולוגיה, לימוד המתרחש בפנים השמש לפי פעימות קצובות של החומר על פניה. תחום זה תרם אף הוא להבנת מנגנון פעילותה של השמש.

מן התיאור הקוונטי של תהליך ההיתוך השמשי הוברר כי משתחררים במהלכו חלקיקי נייטרינו מרובים מאוד, ועלה הרעיון שמדידת זרימתם של חלקיקים אלה מהשמש תאפשר לעמוד על המתרחש בה במישרין. עם זאת, מדידתו של זרם נייטרינים היא בעיה קשה ומסובכת ביותר, שכן חלקיקים אלה אינם מגיבים כמעט עם כל חומר אחר. רק בשנות ה-60 וה-70 של המאה העשרים הצליחו החוקרים לפתח שיטות למדידת נייטרינים.

בתחילה עלה מן הממצאים כי כמות הנייטרינים השמשיים המגיעה לעולמנו היא רק שליש מן הצפוי לפי הדגם התיאורטי. הדבר עורר מבוכה גדולה, משום שהעמיד בספק את תוקפו של הדגם כולו. אולם בהדרגה שוכללו השיטות והדגמים כאחד, ו"פער הנייטרינים השמשיים" הלך ונסגר. בשנים הראשונות של המאה ה-21 יושבה הבעיה סופית: היה ידוע עוד לפני כן שלנייטרינו שלושה "זנים" שונים, וששיטות הגילוי מסוגלות לזהות רק אחד מהם. לאחר שהוברר כי כל נייטרינו נתון משנה את זהותו מזן לזן, במחזוריות מסוימת, תוך כדי תנועתו - נקבע כי הנייטרינים ה"חסרים" פשוט הפכו לנייטרינים שאינם נקלטים במכשירים.

לשלל האמצעים העומד לרשות חוקרי השמש מעל פני הארץ הצטרפו מאז שנות ה-70 לווייני מחקר רבים. החשוב מהם הוא יוליסס ששיגרה נאס"א ב-1990 לחקור את קוטבי השמש, שקשה לראותם מעל פני כדור הארץ. סוהו (SOHO), לווין מחקר נוסף הממלא תפקיד חשוב בחקר השמש, שוגר ב-1995 על ידי נאס"א וסוכנות החלל האירופית, ומאז הוא אוסף נתונים ותמונות מרהיבות על השמש ופעילותה. כיום יש במסלול סביב כדור הארץ למעלה מעשרה לוויינים ייעודיים לתצפית בשמש.

• "ישנם ציירים ההופכים את השמש לכתם צהוב; אחרים הופכים כתם צהוב לשמש". פבלו פיקסו, צייר ספרדי.
  

• "השמש עוברת דרך זוהמה אך נשארת טהורה כתמול שלשום". פרנסיס בייקון, פילוסוף ומדינאי אנגלי.
  

• "השמש, מרכז ואדון האור, אבן הראשה לקשת גן עדן". פיליפ ג'יימס ביילי, משורר אנגלי.
  

•  "הירח - גנב חסר בושה, את זוהרו החיוור הוא חוטף מהשמש". ויליאם שייקספיר, מחזאי ומשורר אנגלי.

  
  

• "האמת היא כמו השמש. ניתן להסתירה לזמן מה, אך היא לעולם אינה נעלמת". אלביס פרסלי, זמר אמריקני.

  
  

לפרוייקט המלא - לחצו כאן.

מערכת השמש: ביתנו בגלקסיית שביל החלב - פרוייקט מיוחד באנציקלופדיה ynet.

לפרוייקט המלא - לחצו כאן.

המעבדה - תולדות המדע והטכנולוגיה על ציר הזמן. פרויקט מיוחד מבית היוצר של אנציקלופדיה ynet.

לציר הזמן – לחצו כאן