Untitled גליונות קודמים אודות העדכן בית אופנט עדכן עדכן 40
nivuthebrew.htm
חדשות האופ
דיוקן
הבוגרים שלנו
אקטואליה
מחקרים
בין שמים וארץ
טכנולוגיות
טקס הבוגרים
ימי עיון
ספרים חדשים

הפיסיקה של בריאת העולם – תגליות חדשות על מבנה היקום

 

פרופ' יורם קירש

 

במאה השנים האחרונות חלה התקדמות רבה בתחום האסטרונומיה והאסטרופיסיקה (הפיסיקה של היקום). לדוגמא, עד לשנת 1924 סברו האסטרונומים שגלקסיית שביל החלב היא היקום כולו. רק ב-1924 גילה האסטרונום האמריקאי אדוין האבל כי ערפיליות מסוימות שנראות בטלסקופ נמצאות מחוץ לגלקסיה שלנו, ומהוות גלקסיות בפני עצמן.

ב-1929 גילה האבל כי הגלקסיות ביקום מתרחקות זו מזו, וכי קיים יחס ישר בין המרחק של הגלקסיה מאיתנו לבין מהירות התרחקותה. אפשר להסיק מכך שלפני כ-14 מיליארד שנה כל החומר ביקום היה מרוכז באזור קטן אחד. לפי התיאוריה המקובלת היום, היקום נוצר אז במעין התפוצצות אדירה המכונה "המפץ הגדול".

 

קרינת הרקע הקוסמית

ההוכחה הטובה ביותר למפץ הגדול היא "קרינת הרקע הקוסמית" שהתגלתה באקראי בשנת 1965 בידי ארנו פֶּנְזִיאַס (Penzias) ורוברט וִילְסון (Wilson) מחברת בֶּל בארה"ב. השניים בדקו אנטנת רדיו חדשה לתקשורת לוויינים, וגילו "רעש" מתמיד של קרינה אלקטרומגנטית בתחום גלי המיקרו, שמתנהגת כקרינה שפולט גוף בטמפרטורה של כשלוש מעלות מעל לאפס המוחלט. המחקר הראה כי מדובר בקרינה ששרדה ביקום מאז המפץ הגדול, והתקררה בהדרגה בגלל התפשטות היקום.

 

על פי התיאוריה היו צריכים להיות הפרשים קטנים בין הטמפרטורות של הקרינה באזורים שונים ביקום. הסיבה לכך היא שהטמפרטורה של קרינת הרקע היא מעין "צילום" של היקום כשהיה בן כ-400 אלף שנה. כדי שיוכלו להיווצר כוכבים וגלקסיות, היו צריכים להיות ביקום הצעיר הבדלי צפיפות קלים. המקומות הצפופים יותר משכו את החומר שבסביבתם, וכך נוצרו ריכוזי חומר שמהם צמחו במשך הזמן הכוכבים, הגלקסיות וצבירי הגלקסיות שאנו רואים היום. חישוב הראה שהבדלי הטמפרטורה צריכים להיות מסדר גודל של אחד למאה אלף.

 

רוב החוקרים סברו שאין סיכוי לגלות הפרשים כה קטנים. אבל היה חוקר אחד שחשב אחרת. היה זה ד"ר ג'ורג' סמוט (Smoot) מברקלי, שב-1975 החל לתכננן מחקר לגילוי אי האחידות בקרינת הרקע. המחקר הסתיים בהצלחה ב-1992, כאשר לוויין מחקר בשם קובי (COBE = cosmic background explorer), שתוכנן על-ידי סמוט וצוותו, אכן גילה הבדלים מסדר גודל של אחד למאה אלף בטמפרטורת הקרינה בנקודות שונות בשמים. סמוט כתב על-כך ספר מרתק בשם קמטים בזמן (יצא לאור בעברית בהוצאת ספריית מעריב).

 

פענוח סודות הבריאה

בעקבות הממצאים של קובי התברר כי מהתנודות בקרינת הרקע אפשר להפיק מידע חשוב, אם ימדדו אותן במכשירים מדויקים יותר. נאס"א, שסייעה לבניית קובי והטיסה אותו לחלל, בנתה לצורך זה לוויין מחקר שכונה MAP (ראשי תיבות של Microwave Anisotropy Probe). הוא שוגר ביוני 2001, והמדידות נמשכו שנה שלמה. כל פיסת שמיים נדגמה אלפי פעמים, בחמש תדירויות בתחום גלי המיקרו. התוצאות פורסמו בפברואר 2003 (כשבועיים לאחר אסון קולומביה שבו נספו שבעה אסטרונאוטים, בהם אילן רמון). התוצאות של MAP עלו על כל הציפיות. הן אישרו את תיאוריית המפץ הגדול והניבו ערכים מדויקים מאד של פרמטרים שונים הקשורים להתפתחות היקום. למשל, נמצא שגיל היקום הוא 13.7 מיליארד שנה, בדיוק של אחוז אחד (הערכות קודמות דיברו על 15-13 מיליארד שנה).

 

התוצאות סיפקו אישור לנוסח מודרני של תיאוריית המפץ הגדול שנקרא "תיאוריית היקום התופח". לפי התיאוריה הזאת, שהוצעה ב-1981 על-יד אֶלֶן גוּת (Guth) מארה"ב, בשלב מוקדם מאד של התפתחות היקום הייתה תקופה קצרצרה של התפשטות מהירה מאד שמכונה "תפיחה" (Inflation). בתקופה זו היקום הכפיל את גודלו שוב ושוב, כמאה פעמים. אחר כך הוא המשיך להתפשט בקצב איטי בהרבה.

 

התיאוריה של גות עונה על השאלה המטרידה: מניין הגיעה האנרגיה הראשונית שממנה נוצרו החומר והקרינה שביקום? לפי מודל התפיחה, רוב החומר והקרינה נוצרו במהלך התפיחה, באמצעות תהליכים פיסיקליים שאנו מסוגלים להבין ולנתח (לעומת זאת, לפי המודל הסטנדרטי של המפץ הגדול, כל החומר והקרינה שממלאים היום את היקום הופיעו לפתע פתאום, יש מאין).

 

אפשר לומר שמודל התפיחה מסיר במידה מסוימת את מסך המסתורין מעל מעשה הבריאה.

 

כמה חומר יש ביקום?

אנו יכולים להעריך בדיוק רב את מסת כדור-הארץ, את מסת כל אחד מכוכבי הלכת, את מסת השמש, וגם את המסה של כוכבים רחוקים יותר, אבל האם אפשר להעריך את המסה הכוללת של היקום, או את צפיפות החומר שבו? השאלה הזאת חשובה משום שכמות החומר והאנרגיה ביקום קובעת אם הוא ימשיך להתפשט לנצח, או שכוחות הכבידה יגרמו לכך שההתפשטות תיבלם והיקום יתחיל להתכווץ. הערך הגבולי נקרא "צפיפות קריטית". אם צפיפות החומר והאנרגיה ביקום קטנה מהצפיפות הקריטית, הרי שהתפשטות היקום תימשך לעד. אם היא מעל לצפיפות הקריטית, ההתפשטות תהפוך כיוון ברגע כלשהו, ובסופו של דבר כל החומר שביקום יצטבר שוב באזור קטן מאד.

 

הממצאים שלMAP  פתרו אפוא את החידה. נובע מהם כי צפיפות החומר והאנרגיה ביקום שווה לצפיפות הקריטית, עם שגיאה אפשרית של פחות מאחוז. רק כארבעה אחוזים מהצפיפות הזאת עשויים מהחומר שממנו בנויים האטומים. 23 אחוזים הם חומר מסתורי שטבעו עדיין דורש בירור, והמכונה חומר אפל. עוד 73 אחוזים הם אנרגיה מסתורית, שדומה במקצת לאנרגיה שהניעה את התפשטות היקום בתקופת התפיחה. אנרגיה זו קיבלה את השם אנרגיה אפלה. האם האנרגיה האפלה היא אכן שריד של אותה אנרגיה קדמונית, או תופעה חדשה שלא הייתה קיימת ביקום הקדום? עדיין אין אנו יודעים את התשובה. נקווה שהיא תימצא בעתיד.

 

 

*

הכתבה היא תמצית הרצאה שהושמעה במסגרת מפגשים שאורגנו על-ידי אגודת ידידי האוניברסיטה הפתוחה.