היקום - מאמר  מספר 33

היקום - מאמר  מספר 33

כתב עמי אור

17 המאמרים הבאים כולל זה הנוכחי, עוסקים ביקום, מבנהו בהולדת כוכבים ובתופעות קוסמולוגיות שונות. חמשת הפוסטים הראשונים דנים ביקום, השישה לאחר מכן במבנה היקום והשישה האחרונים בכוכבים מסוגם שונים. בנוסף יהיו חמישה פוסטים נוספים שיעסקו בזמן ושני פוסטים שיעסקו במשבר בקוסמולוגיה.

קריאה מהנה ואשמח לשמוע הערות ולענות על שאלות.

 חלק 1

היְקום (יוניברס) הוא כל החלל והזמן, חומר ואנרגיה, כולל כוכבים, כוכבי לכת, גלקסיות, וכל הצורות האחרות של חומר ואנרגיה הקיימים (הידועים והלא ידועים). למרות שגודלו הכולל של היקום אינו ידוע, ניתן למדוד את גודלו של היקום הנצפה. השאלות על טבעו של היקום, הרכבו, גילו, כיצד נוצר, האם ישנם יקומים נוספים, ומה יהיה עתידו, ושאלות רבות נוספות, העסיקו את האדם מאז ראשית ההיסטוריה. סוגיות אלה משתרעות בין הפילוסופיה של הטבע לבין הבעיות היסודיות ביותר בפיזיקה ובקוסמולוגיה.

 על פי הערכות המבוססות על ניתוח קרינת הרקע הקוסמית וחוק האבל, גיל היקום הוא 13.819 מיליארד שנה. (על חוק האבל – ראה להלן)

חלק היקום הניתן לצפייה על ידי האנושות, הוא קטן מאוד יחסית לגודל היקום עצמו. ישנן הערכות כי החלק הנצפה הוא רק 1 חלקי 150 סקסטיליון (36^10). מאחר ומהירות האור היא מוגבלת, (300 אלף קילומטר לשנייה לערך) ומאחר והיקום מתפשט כל הזמן, ולאור דרוש זמן כדי לעבור ממקום למקום, ולכן החלק המרוחק ביותר ביקום הניתן לצפייה, בכל אמצעי שהוא, שווה במרחקו למספר השנים שעברו מאז יצא אותו אור מרוחק לדרכו אלינו, בהתאם למדידת הזמן לפי שנות אור. יש לזכור כי בזמן מסעו של האור אלינו, מתפשט היקום במקביל. הסיבה שרק חלק מהיקום הוא בר צפייה, היא התפשטותו של היקום (וראה להלן), כך שכתוצאה מכך, חלקים גדולים ממנו עברו את האופק שבו ניתן לצפות בהם, ולכן לא ניתן לראותם.

החלק הנראה של היקום נקרא היקום הנצפה (observable universe), או היקום הידוע (Known Universe), והוא כולל בתוכו מיליארדי גלקסיות שבכל אחת מהן מאות מיליארדים של כוכבים, ואת המרחבים העצומים המשתרעים בין הגלקסיות, ובין הכוכבים שבתוך הגלקסיות, הנקראים אזורים בין כוכביים ובין גלקטיים, כמו כן כולל היקום אנרגיה, חומר אפל ואנרגיה אפלה. ההערכה היא כי מספר הכוכבים ביקום הנצפה היא  ²²X10^2 (מספר הגדול יותר מכמות גרגרי החול על כדור הארץ).

היקום הנצפה הוא חלק היקום הכולל את כל מה שניתן לצפייה מכדור הארץ בזמן הנוכחי. היות שלאור ולקרינה אלקטרומגנטית, כאמור, לוקח זמן להגיע לכדור הארץ, ומכיוון שהיקום מתרחב, (ראה הסבר על התפשטות היקום להלן) היקום הנצפה גדל עם הזמן. בהנחה שהיקום אחיד,  מרחק לקצה היקום הנצפה הוא בערך שווה לכל כיוון ומכאן שהיקום הנצפה הוא בצורת כדור שהצופה, בכל מקום, נמצא במרכזו. בכל מקום ביקום יש לצופה הנמצא בו "יקום נצפה" משלו, שיכול לחפוף במידה זו או אחרת את היקום הנצפה מכדור הארץ.

למרות שגיל היקום מוערך בכ - 13.8 מיליארד שנה, היקום הנצפה הוא בעל רדיוס של 46.5 מיליארד שנות אור (קוטר של 93 מיליארד שנות אור) וזאת בשל התפשטות המרחב יחד עם האור היוצא מהעצמים שבו, כך שאנו יכולים לראות עצם שנמצא במרחק 46.5 מיליארד שנות אור למרות שגילו הוא כגיל היקום.

העצם המרוחק ביותר שהתגלה עד כה ביקום הוא גלקסיה בשםGN-z11     המוסחת לאדום שהתגלתה בשנת 2016. על פי מדידת ההסחה לאדום של ספקטרום הגלקסיה, היא מתרחקת במהירות של כ - 295,050 ק"מ בשנייה, קרוב ל-98.5% ממהירות האור, כלומר, היא נמצאת קרוב לגבול היקום הניצפה. כהערת אגב בכל שנייה נעלמים מהיקום הנצפה כ 20 מיליון כוכבים. כלומר, הם אינם נעלמים אלא יוצאים מהטווח של היקום הנצפה ועוברים אל מעבר לאופק האירועים שמאחוריו לא ניתן לצפות בדבר.

 ב 1926, גילה אדווין האבל כי היקום מתפשט – גילוי שפתח את תורת הקוסמולוגיה המודרנית. החוק אומר בפשטות כי ככל שגלקסיה רחוקה יותר מאיתנו במרחק פיזי, כך היא מתרחקת מאיתנו יותר מהר (ההסחה לאדום של האור הנפלט ממנה הולכת וגדלה). במילים אחרות, ככל שהמרחק אל הגלקסיה גדול יותר, מהירות התפשטות היקום גבוה יותר. צריך לומר כאן במאמר מוסגר, כי בניגוד לחומר ואנרגיה אשר יכולים לנוע מקסימום במהירות האור, למהירות התפשטות היקום, אין מגבלה של מהירות האור והמרחב עצמו יכול להתפשט במהירות גבוה ממהירות האור.

ההסחה לאדום מבוססת על אפקט דופלר, ולפיו אורה של גלקסיה המתקרבת לכדור הארץ מוסט מעט לכיוון הצבע הכחול בקשת הצבעים (אורך הגל קָטֵן), ואילו אורה של גלקסיה מתרחקת מוסט לכיוון האדום. בהינתן העובדה כי יש באור הגלקסיות מרכיבים המשקפים הימצאות יסודות כימיים שפליטת האור שלהם ידועה, ניתן למדוד את מידת ההסחה ואת כיוונה. כיום ידוע שאין גלקסיות רחוקות בעלות הסחה לכחול.

 ב 1917  בעת עבודתו על תורת היחסות הכללית,  גילה איינשטיין כי לפי משוואותיו, על היקום להתפשט או להתכווץ. מכיוון שלא היה יכול להאמין לפירוש זה של המשוואות, כי האמין בתאוריית המצב היציב של היקום, המציא איינשטיין את הקבוע הקוסמולוגי שנועד "לתקן" את המשוואות ולהתאימן ליקום סטטי (כפי שהוא ואחרים חשבו באותו זמן על היקום). מששמע על תגליותיו של האבל חזר בו איינשטיין מקביעה זו, וכינה את הקבוע הקוסמולוגי "השטות הגדולה ביותר בחיי". לאמיתו של דבר הקבוע הקוסמולוגי שגילה איינשטיין למרות שאמר שזו טעותו, הוא חלק מהקוסמולוגיה המודרנית.

עוד בשנת 1922 התנגד המדען יהודי-רוסי אלכסנדר פרידמן ל"קבוע הקוסמולוגי" של איינשטיין, וטען כי אנו חיים ביקום דינמי ומתפשט, ולו ראשית, ואולי גם אחרית, בניגוד למודל הסטטי שחייב "הקבוע הקוסמולוגי". פרידמן טען כי אם היה מקור היקום בנקודה בודדת שהחלה להתפשט לאחר "פיצוץ גדול", הרי שלהתפשטות היקום יש תנע, המסביר את התרחקות הגלקסיות זו מזו, על אף כוחות הכבידה האמורים לקרב ביניהן.

שילוב עבודתו של פרידמן עם עבודתם של נוספים, ובהם ז'ורז' למטר וג'ורג' גאמוב, הפך את תגליותיו של האבל, לאבן הבסיס בראייה הקוסמולוגית החדישה. המהלך המחשבתי אותו הוליכו פרידמן, גאמוב ולמטר הוא כי אם כיום הגלקסיות מתרחקות זו מזו, ומהירותן גדלה ככל שהן מתרחקות, כפי שהוכיחו תצפיותיו של האבל, הרי שאם נדמה לעצמנו את החזרת רצף הזמן לאחור, נראה מצב שבו הגלקסיות קרבות זו לזו, עד שהתחילו בנקודת מוצא אחת, היא אותה נקודה זערורית, שהייתה אז היקום כולו. על פי תאוריה זו, נקודה זו התרחבה עם הזמן וכיום היא מהווה את היקום המוכר לנו. כיום, חוק האבל, עם ממצאים נוספים, אינו אלא ביסוס ניסיוני לתאוריית המפץ הגדול.

היקום אינו מתפשט לתוך משהו. תפיסה זו למעשה מבוססת על היבט מוטעה ופופולארי שהיקום שלנו הוא מרחב עקום השוכן במרחב בעל ממדים גדולים יותר ובכלל זה, שהיקום שלנו מתפשט אל תוך המרחב הזה. השימשו באנלוגיה הבלון המתנפח (וראה להלן) שבו משטח כדורי דו ממדי מתנפח לתוך מרחב תלת ממדי, כדי להמחיש את התרחקות הגלקסיות, היא אנלוגיה מוגבלת. הבלון עצמו נמצא בתוך חלל תלת ממדי ומתפשט לתוכו ואילו היקום אינו מתפשט לתוך משהו – הוא פשוט קיים ומתפשט. ליקום לא מזוהה קצה או גבול או מרכז ממנו התפשט.

 (אנלוגית הבלון המתנפח:

אחת האנלוגיות להבנת התפשטות היקום הינה להתבונן בפני בלון שמתנפח. נניח שאנו יצורים דו-ממדיים החיים על פני הבלון. מכיוון שאנו חיים על פניו של בלון העולם שלנו הינו דו-ממדי, אנו יכולים לנוע ימינה ושמאלה, קדימה ואחורה. אנו לא יכולים לדבר במונחים של "מטה" ו"מעלה" משום שעולמנו אינו תלת-ממדי!

זכרו שבאנלוגיה זו, הבלון (שעליו אנו חיים) הולך ומתנפח. יום אחד אנו מגלים שהדרך שאנו עוברים על מנת להגיע לביתנו הרחוק, נמשכת זמן רב יותר מאשר בעבר. אם אתמול לקח לנו להגיע לביתנו 20 דקות, למחרת אנו מגלים שלקח לנו להגיע 21 דקות לביתנו אף על פי שאנו נעים באותה מהירות שנענו בה אתמול.

המרחקים אל הבתים התארכו, למרות שהבתים לא זזו לשום מקום, הן נשארו במנוחה ביחס למשטח הגומי של הבלון. אבל המרחקים אל הבתים רק הולכים וגדלים. מכאן, אנו היצורים החיים בעולם הדו-ממדי שעל פני משטח הבלון, מגיעים למסקנה שהקרקע שעליה אנו חיים (יריעת הגומי של הבלון) מתפשטת!!! זוהי ללא ספק מסקנה מהפכנית ומוזרה משום שאנו היצורים הדו-ממדיים שחיים על הבלון לא מכירים "חוץ" וגבולות שלתוכם העולם שלנו יכול להתפשט.)

אז אם ליקום, ככל הנראה, אין שוליים, אין מרכז ואין חוץ (מרחב שבו משוכן היקום שלנו), אז איך הוא יכול בכלל להתפשט?

עלינו להפנים שעל פי תורת היחסות הכללית, המרחב לא רק עקום אלא גם דינאמי. כלומר, המרחב שלנו, דהיינו היקום, על פי תורת היחסות הכללית, יכול להתפשט, להתעקם ואפילו להתכווץ למרות שהוא אינו משוכן בתוך מרחב אחר בעל ממדים רבים יותר. על פי תורת היחסות הכללית, דינאמיות המרחב העקום, מראה לנו שהיקום שלנו בעצם 'עומד בפני עצמו. כלומר, בעצם התפשטותו אין לנו צורך שיהיה ביקום מרכז שממנו היקום התפשט ממנו והלאה. דבר זה גם מסביר מדוע אין לנו צורך לחשוב שהיקום משוכן במרחב גדול יותר ומתפשט לתוכו. כלומר היקום עצמו מתפשט ולא מתפשט בתוך מרחב ריק כלשהו: היקום תוך כדי התפשטותו אינו תופס ומשתלט על מרחב שהיה פנוי קודם לכן מסביבו.

כמוזכר, בהליכה היסטורית אחורה, היקום היה בתחילתו נקודה חסרת ממדים בעלת אנרגיה אינסופית (נקודת סינגולרית). מסיבה כל שהיא, ולא ידוע כרגע מהי הסיבה, החלה הנקודה להתפשט – מה שנקרא המפץ הגדול. ההשערה היא כי תנודות קוונטיות בתוך הסינגולריות גרמו לה לצאת משיווי משקל ולהתפשט כהתפוצצות אך להשערה זו עדיין אין אישוש מדעי. המפץ הגדול לא היה "התפוצצות" בתוך מרחב ריק כלשהו. המפץ הגדול היה היקום כולו, לא רק החומר והקרינה שבתוכו. אפשר לומר שהמרחב עצמו נוצר בזמן המפץ הגדול. הגלקסיות אינן מתרחקות בנפרד משאר היקום. היקום עצמו מתפשט, נושא עימו את הגלקסיות תוך כדי התפשטותו. אין שום מיקום מסוים שבו המפץ הגדול התרחש. המפץ הגדול כלל את היקום כולו, והוא התרחש בכל מקום בבת אחת.

המאמר הבא  – המשך