מאמר 36 – היקום - חלק רביעי

מאמר 36 – היקום - חלק רביעי

כתב עמי אור

 החומר האפל

 מהירות הסיבוב של גופים שמימיים תלויה במסת הגוף סביבו הם נעים ובמרחקם ממנו. למשל, במערכת השמש מהירות הסיבוב של הפלנטות סביב השמש הולכת ויורדת ככל שהן רחוקות יותר ממנה, על פי חוקי קפלר. אבל בגלקסיות נצפתה תופעה לא מוסברת, מהירות הסיבוב של גלקסיות ספירליות היא הרבה יותר גבוהה ממה שמתקבל על ידי חישוב המסה שלהן. הפער גדול אף יותר בזרועות מרוחקות ממרכז הגלקסיה – מדידות של מהירות הכוכבים המרוחקים ממרכז הגלקסיה גילו שמהירות הסיבוב שלהם אינה יורדת ככל שהכוכבים רחוקים יותר מהמרכז. לתופעה זו אין הסבר וההנחה המקובלת היא שקיים חומר אפל, חומר בלתי נראה שלא פולט או קולט קרינה כלשהי, ולכן קשה מאוד לאתרו. לפי החישובים. כ - 4% מהחומר ביקום הוא חומר בריוני רגיל, 23% הוא חומר אפל, ו -  73% הוא אנרגיה אפלה (שגם עליה איננו יודעים כרגע הרבה). במילים אחרות, כל הכוכבים שאנו רואים ביקום המכילים חומר "רגיל" מהווים רק 4 אחוזים!! בלבד מתכולת החומר / אנרגיה ביקום.

החומר האפל התאורטי, מסביר לא רק את מהירות הסיבוב של גלקסיות, אלא גם את פיזורן של גלקסיות ביקום. אחת הבעיות הלא פתורות במודל המפץ הגדול, היא שלעומת קרינת הרקע הקוסמית שהיא כמעט במאה אחוז אחידה, פיזור הגלקסיות נראה אקראי ולא מוסבר, עם צבירי גלקסיות מצד אחד, וחללים ריקים כביכול מצד שני (על נושא זה ראה בסדרת הפוסטים הבאה על מבנה היקום). אמנם נצפו שינויים זעירים בצפיפות קרינת הרקע וייתכן ששינויי צפיפות קטנים אלה קיבצו סביבם יותר ויותר חומר באמצעות כוח הכבידה, וכך נוצרו במשך השנים גופים גדולים. הבעיה היא שגיל היקום אינו מספיק כדי להסביר את התהליך האיטי הזה של "הצטופפות" חומר כתוצאה מכח הכבידה. תוספת של חומר אפל מסבירה זאת, ולפי החישובים אחוז החומר האפל שנחוץ כדי להסביר היווצרות גלקסיות משינויי הצפיפות בקרינת הרקע, הוא בקירוב אותו אחוז שנחוץ כדי להסביר את מהירות הסיבוב של גלקסיות.

לא ידוע מה טיבו של החומר האפל, והאם הוא קיים או שלתופעות יש הסבר אחר. תאוריה אחת גורסת שהחומר האפל הוא חומר באריוני רגיל כלומר נייטרונים ופרוטונים; תאוריה אחרת גורסת שהחומר האפל הוא חלקיקי הניטרינו המהירים, שהמסה שלהם היא אמנם זעירה אבל הם רבים מאוד.

היקום זרוע הכוכבים

תקופה זו מכונה גם "עידן התצורות הגדולות". בעידן זה נוצרו הכוכבים והגלקסיות, צבירי הגלקסיות וצבירי העל, וזהו העידן שלנו. הכוכבים הראשונים נוצרו מקריסה של ענני מימן בגלל כוח הכבידה. ענני המימן הבין-כוכבי הם בעל תנע מסוים ומשיכת המולקולות בינן לבין עצמן, יוצרת תהליך איטי של קריסה של ענן הגז, לאורך כמה מיליוני שנים. כאשר גוף גזי מתכווץ, עולה הטמפרטורה שלו ובהגיעה לכ – 15 מיליון מעלות, בליבת הענן, מתחיל תהליך ההתכה של מימן להליום – וכוכב נולד (וראה סדרת הפוסטים על הולדת כוכבים שתפורסם בהמשך). ככל שהכוכב מסיבי יותר מבחינת מסתו – כך אורך חייו יהיה קצר יותר. כוכבים על מסיבים בעלי מסות של 20 מסות שמש ומעלה, יגיעו לסוף חייהם בתוך כמה מיליוני שנים ואילו כוכב דוגמת השמש שלנו, שמאירה כבר יותר מ 4.5 מיליארד שנים, צפויה להמשיך להאיר עוד כ 5 מיליארד שנים עד להפיכתה לענק אדום.   כוכבים קדומים אלה נקראים כוכבים מסוג אוכלוסייה III והיו מורכבים כמעט ורק ממימן והליום, שהם היסודות שנוצרו במפץ הגדול. השם "אוכלוסייה III" מסווג אותם לפי אחוז היסודות הכבדים שבהם, תכונה שנקראת בקוסמולוגיה מתכתיות. כוכבים אלה, אם אכן הם קיימים, הם רחוקים מאוד וטרם נצפו. הם היו לוהטים ומסיביים מאוד, בסדר גודל של אלף שמשות, ופלטו קרינה חזקה, שגרמה ליינון גז המימן הניטרלי שסביבם. הם התכלו במהירות תוך כמה מיליוני שנים, וסיימו את חייהם הקצרים כסופרנובה שהעיפה אל ענני המימן שמסביב את היסודות הכבדים יותר שנוצרו בליבתם, כמו פחמן, צורן, חמצן וברזל ויסודות נוספים. באופן כזה נזרעו יסודות כבדים יותר בכוכבים הנוצרים הבאים. יסודות כמו זהב ופלטינה ויסודות רדיואקטיביים כמו אורניום, ייווצרו בתהליכי קריסה של כוכבים מסיביים בהם הכוכב קורס לכוכב ניטרונים ולאחר מכן התנגשות של שני כוכבי ניטרונים שיוצרת קילונובה. (על כוכבי ניטרונים בפוסט אחר בעתיד). כלומר כשאתם קונים תכשיט זהב לנשותיכם, הזהב מקורו בתהליכים שהתרחשו בתוך קילונובות.

כוכבים קדומים מכילים פחות יסודות, בעוד כוכבים צעירים יותר מכילים יותר יסודות כבדים. כל היסודות הכבדים מהליום נוצרו בראקציות היתוך בתוך כוכבים והתפזרו לחלל כשהם התפוצצו. חלק מכוכבי אוכלוסייה III לא התפזרו לרסיסים אלא הותירו אחרי ההתפוצצות חור שחור. ייתכן שחורים שחורים אלה חברו לחורים שחורים אחרים, ויצרו את הקוואזרים הראשונים והגלקסיות הראשונות. השמש שלנו היא כוכב מדור שלוש מכילה כ - 2 אחוז מתכות.

שביל החלב שלנו הוא גלקסיה ספירלית עתיקה, בערך בת 13.2 מיליארד שנה, שבלבה חור שחור על-מסיבי, סגיטריוס (קשת) A*

יינון מחדש

עידן היינון מחדש (reionization) התקיים בין 150 מיליון למיליארד שנה לאחר תחילת המפץ הגדול. הקוואזרים הראשונים מופיעים כתוצאה מקריסה גרביטציונית, והקרינה החזקה שהם פולטים מייננת מחדש את היקום שמסביב. זהו מעבר הפאזה השני של גז המימן ביקום, הראשון היה בתקופת הרקומבינציה כשאלקטרונים וגרעיני מימן מיוננים (פרוטונים) התחברו ליצירת אטום מימן נייטרלי. עתה רוב היקום חוזר ממצב נייטרלי למצב של פלזמה מיוננת, אם כי דלילה בהרבה. פיזור קומפטון שכבל את תנועת הפוטונים בפלזמה של עידן הפוטונים, קורה הרבה פחות, והיקום לא נעשה אטום אלא נשאר שקוף.

 המאמר הבא 37 היקום המשך