מאמר מספר 56 – המשבר בקוסמולוגיה

מאמר מספר 56 – המשבר בקוסמולוגיה

מאת עמי אור

עובד על פי מאמר בסיינטיפיק אמריקן

 המאמר חולק לשני חלקים. בחלק הראשון מידע רקע והסבר מונחים שהבנתם תאפשר להבין את המשבר בקוסמולוגיה המתואר בחלק השני של המאמר – מאמר 57.

מודל המפץ הגדול הוא המודל העדכני ביותר הקיים ללידת היקום. ההערכות לגיל היקום הן כ - 13.8 מיליארד שנים והן נובעות מחישובים שונים הקשורים לקצב ההתפשטות המשוער של היקום, מה שנקרא קבוע האבל (המסומן באותיות H אפס). כפי שכתבתי בפוסטים קודמים בנושא, האבל גילה בסוף שנות העשרים של המאה הקודמת, כי היקום מתפשט.

בשנים לאחר כן הייתה הערכה כי ההתפשטות הזו הולכת ומאיטה כי משיכת הכבידה של כל החומר ביקום אמורה להאט את ההתפשטות. לעובדה זה יש משמעות בקביעת גיל היקום וגם לגודל הקבוע של האבל. הערכות לצפיפות החומר ביקום נעשו ועל פיהן ועל פי קבוע האבל הידוע באותו זמן התקיימו הערכות לגבי גיל היקום וקצב התפשטותו.

בסוף שנות התשעים במאה הקודמת, נפל דבר בקוסמולוגיה. על פי מדידת עוצמת ההארה של סופרנובות מסוג A1 (והסבר על כך בהמשך) נמצא כי היקום מאיץ את התפשטותו מה שהוביל לגילוי האנרגיה האפלה.

 אם כך, האם הבעיה קיימת במודל הקוסמולוגי או בשיטות המדידה שלנו?

אם הבעיה היא בשיטות המדידה שלנו – המשמעות היא כי עלינו לחפש אמצעי מדידה אחר למרחקים קוסמולוגים ועל פיו לאשש או להפריך את התאוריות הקיימות.

אם הבעיה היא במודל – המשמעות היא שכל הקוסמולוגיה והאסטרופיזיקה, נמצאות בסכנה וכי אולי תיאוריות שעד היום חשבנו שהן נכונות צריכות להיבדק מחדש.

לפני הכניסה לדיון בפוסט להלן כמה מונחים שחייבים להבהירם על מנת להבין את מהות המשבר:

 האנרגיה האפלה:

עד תחילת המאה ה - 20 הדעה המדעית הייתה שהיקום הוא סטאטי ולא משתנה, תמיד היה ותמיד יהיה. משוואות תורת היחסות של איינשטיין מתארות יקום חסר מנוחה שיכול להתכווץ או להתפשט, וכדי לתאר את היקום סטאטי כפי שאיינשטיין האמין, הוא הוסיף לנוסחאות פרמטר תיקון. מאחר שכוח הגרביטציה נוטה למשוך דברים זה אל זה, הוא הניח קיומה של אנרגיה נגדית כלשהי שמאזנת בדיוק את כוח הכובד וגורמת ליקום להישאר כפי שהוא. לצפיפות האנרגיה המסתורית הוא קרא "הקבוע הקוסמולוגי", המסומן עם האות למדא (Λ). איינשטיין קרא לתיקון הזה "הטעות הגדולה ביותר שלי". התיקון היה מיותר, כי כעבור כעשר שנים בלבד התגלה שהיקום מתפשט, מה שכונה, חוק האבל. משוואות תורת היחסות ללא התיקון מבטאות זאת. הקבוע הקוסמי נזנח, אבל בסוף המאה ה - 20 הוא זכה לעדנה מחודשת, כשהתגלה שלא זו בלבד שהיקום מתפשט אלא שקצב ההתפשטות הולך ומאיץ.

הסיבה להאצת ההתפשטות אינה ידועה והסבר אפשרי לה מובא להלן. נראה שהמרחב אינו ריק אחרי הכל והוא מכיל בתוכו אנרגיה אנטי גרביטציונית מסתורית, שהיא חלק אינהרנטי מתכונות המרחב. לפי תצפיות נראה שמהירות ההתפשטות ירדה תחילה, ורק לפני כ - 6 מיליארד שנים החלה להאיץ. הסיבה היא כי לכל יחידת נפח ביקום ישנה כמות אנרגיה אפלה זהה. ככל שהיקום מתפשט, גדל נפחו וגדלה גם כמות האנרגיה האפלה בו. כלומר, הכח שמניע את התפשטות היקום, הולך וגדל. עד לפני כ - 6 מיליארד שנים, כח הגרביטציה איזן את הכח של האנרגיה האפלה והתפשטות היקום האיטה. לפני כ - 6 מיליארד שנים הגיע הגבול הקריטי וכמות האנרגיה האפלה עלתה מעל סף מינימום וכיום אנרגיה זו גורמת להאצת ההתפשטות עוד ועוד.

חישובים מראים שכ - 68% מכמות החומר/אנרגיה הכוללת ביקום, הוא אנרגיה אפלה, 27% הוא החומר האפל, ומה שנשאר הוא 5% מהיקום שעשוי מחומר באריוני, כלומר חומר ממשי כמו כוכבים, גלקסיות, גז וכו'. האנרגיה האפלה הומוגנית בכל היקום. היא מושפעת רק מכוח הכבידה. הצפיפות שלה נמוכה עד מאוד, כ – 10 בחזקת מינוס 27 ק"ג למטר מעוקב (כלומר, אטומים בודדים), לכן הסיכוי לגלות אותה בצורה אמפירית הוא קלוש. אבל אף שצפיפות האנרגיה האפלה היא כמעט אפסית, השפעתה אדירה משום שהיא מפוזרת באופן אחיד בכל המרחב, ומרכיבה את רוב החומר/אנרגיה ביקום. מוזר אף יותר שצפיפות האנרגיה האפלה אינה יורדת כשהיקום מתרחב. פירוש הדבר הוא שככל שהיקום מתרחב כך נוספת לו עוד אנרגיה אפלה המסתורית.

סולמות למדידת מרחק:

אני מבקש לדון בקצרה בסולם המדידה שמשמש למדידת מרחקים קוסמיים. כמו בסולם שבו יש שלבים, סולמות המדידה נשענים כל אחד, על השלב הקודם לו.

הסולם הראשון הוא סולם הפרלקסה. אם תשים אצבע מול האף ותעצום עין אחת ולאחר מכן תעצום את השנייה, האצבע תראה כאילו היא זזה. על תופעה זו מבוססת מדידת הפרלקסה. אם נמדוד עצם בשמים על רקע כוכבי רקע רחוקים יותר כאשר כדור הארץ נמצא בשתי נקודות מנוגדות במסלולו סביב השמש, העצם יראה כאילו הוא זז על רקע הכוכבים ברקע. מדידות הזווית בכל נקודה יאפשרו לנו לחשב את המרחק אל אותו כוכב. הבעיה היא כי מדידות כאלה תקפות לכוכבים יחסית קרובים במרחק של כמה עשרות שנות אור בגלל גודל הזווית ההולך וקטן ככל שהכוכב רחוק יותר.

השלב הבא בסולם המדידה הם משתנים קפאידים. אם תיקחו מנורה בת עוצמה של 100 ווט ותמדדו את עוצמת ההארה שלה במרחקים שונים, ומאחר וידוע לנו שהמנורה מאירה בעוצמה מסוימת, ניתן על פי עוצמת האור הנמדד, לחשב את מרחק המנורה מאיתנו. על מנגנון זה בנוי החישוב של המרחק על בסיס משתנים קפאידים שלהם עוצמת אור ידועה. משתנה קפאידי הוא כוכב ענק, בעל בהירות המשתנה במחזור קבוע, בתדירות אופיינית. הקטגוריה הזו קרויה על שם הכוכב δ בקפאוס, שהוא משתנה קפאידי, אחד הראשונים שהתגלו. המשתנים הקפאידיים מתאפיינים גם במחזורי בהירות מדויקים מאוד.

בשנת 1912 גילתה האסטרונומית הנרייטה ליוויט כי קיים קשר בין זמן מחזור הבהירות, של משתנה קפאידי לבין הבהירות המוחלטת שלו. תגלית זו אפשרה את השימוש במשתנים קפאידיים כנרות תקניים למדידת מרחקים ביקום, דבר שאיפשר (בזכות הבהירות הגדולה שלהם) להרחיב את מדידת המרחקים לטווחים שמעבר לשביל החלב. משתנים אלה שימשו למדידות מרחקים עד למרחק של כמה מיליארדי שנות אור.

הסולם הבא הוא סולם למדידה של עוצמת ההארה של סופרנובות מטיפוס A1 שלהן עקומת הארה ידועה ועל פיה ניתן לחשב את מרחקה של הסופרנובה מאיתנו בדומה לדוגמת המנורה למעלה. זו סופרנובה המתרחשת כאשר ננס לבן סופח אליו חומר מכוכב סמוך או כאשר שני ננסים לבנים מתנגשים. עקב כך מסתו גדלה, עד שהיא עוברת את הסף הקריטי לסופרנובה - גבול צ'נדראסקאר (כ־1.44 מסות שמש). בעקבות זאת, קורס הכוכב כתוצאה מכוח הכבידה שלו עצמו. אנרגיית הכבידה שלו הופכת לחום עצום ומתחילות בתוכו תגובות גרעיניות. אך בשל מסתו הקטנה (ולכן מעט אנרגיה גרביטציונית), אין להן ויסות והכוכב מתפוצץ. במהלך הפיצוץ נפלטים אנרגיה בצורת קרינה כמעט בכל התדרים, שטף של נייטרינו ויסודות חדשים שנוצרים בתהליך ההיתוך הגרעיני, מתפזרים בחלל.

מכיוון שלסופרנובות מסוג זה יש מסה אחידה, (בגלל מסת צ'נדראסקאר, כאמור)  הן יכולות לשמש נרות תקניים בעלי בהירות אחידה בזמן שהן מתפוצצות, ומכאן חשיבותן הרבה בחקר המרחקים והמהירויות ביקום המוקדם.

 קרינת הרקע הקוסמית:

עד לכ – 380,000 שנים לאחר המפץ הגדול היקום היה אטום ולא איפשר מעבר קרינה. במועד זה, רדיוס היקום הוא כ- 42 מיליון שנות אור. הטמפרטורה ירדה מספיק כדי לאפשר לאלקטרונים להיקשר לגרעיני אטום, ולראשונה מופיעים ביקום אטומים. כתוצאה, הפוטונים חופשיים לנוע. הפוטונים שנוכחים בעידן זה הם אותם פוטונים שנמצאים בקרינת הרקע הקוסמית, אחרי שהתקררו על ידי התפשטות היקום. נעשים מאמצים למפות את הקרינה החלשה הקדומה הזאת, כי על ידי מדידת העוצמה שלה בנקודות שונות אפשר יהיה למפות את כמות החומר ביקום. החומר הבאריוני מפוזר בדלילות ביקום, והפעילות התמעטה בצורה דרמטית עם לוח זמנים ארוך מאוד, שבו נוצרים הכוכבים. החומר האפל המסתורי עדיין, מרכיב את רוב החומר ביקום.

ומושג אחרון הסחה לאדום: הסחה לאדום מבוססת על אפקט דופלר בו כשגוף שמפיק קרינה מתרחק מאיתנו אורך הגל של הקרינה הולך וגדל ככל שמהירות ההתרחקות גדלה. מהירות האור היא קבועה כ – 300,000 ק"מ לשנייה. אם אור יוצא מגוף כל שהוא המתרחק מאיתנו אורך הגל של האור יוסח לכיוון האדום. מעבר לזה בזמן שהאור נע מאותו גוף אלינו דרך היקום, היקום עצמו מתפשט ותורם להגדלת אורך הגל. זוהי ההסחה לאדום הנמדדת כקבוע האבל עליו נסוב המשבר בקוסמולוגיה.

 המאמר  הבא, מאמר 57 על המשבר בקוסמולוגיה - המשך