ידענים: פיסיקה קוונטית | ראשית היקום

מאת 18 במרץ 2014 74 תגובות

בראיון לאתר הידען אומר פרופ' אבי לייב, ראש המחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת הארווארד כי אם הגילוי של גלי הכבידה יאושש בניסוי בלתי תלוי, מדובר בתגלית השווה פרס נובל לצוות החוקרים בראשותו של ג'ון קובאץ' ומוסיף: התגלית גם תומכת בקיומו של רב-יקום, ולפיכך גם בהבנה של מקומינו האמיתי ביקום שגם הוא רק אחד מיני רבים

גלאי BICEP2 בקוטב הדרומי. צילום: מרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה

גלאי BICEP2 בקוטב הדרומי – גילה את האקדח המעשן המעיד על ההתנפחות האינפלציונית של היקום בראישתו . צילום: מרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה.

אסטרונומים ממרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה במסצ'וסטס, מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (CALTECH) ומהמעבדה להינע סילוני ׁׁJPL של נאס"א בקליפורניה, טוענים כי גילו עדויות, ששוות פרס נובל, לקיומם של גלי כבידה – אדוות במרקם של המרחב-זמן. מדובר בעדות הישירה הראשונה לכך שהיקום עבר התפשטות קצרה אך עצומה של התפשטות מהירה, מיד לאחר המפץ הגדול.

"מצאנו את האקדח המעשן להתנפחות היקום ואנו גם סיפקנו עדויות ראשונות לקיומם של גלי כבידה החוצים את השמים" אומר צ'או-לין קואו מאוניברסיטת סטנפורד, מתכנן גלאי BICEP2 שסיפק את הנתונים החדשים. החוקרים השתמשו בטלסקופ BICEP2 (ר"תBackground Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization ) הסורק את השמים מהקוטב הדרומי ומאתר שינויים קלים בקרינת הרקע הקוסמית – הקרינה שפרצה 380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול כאשר היקום התקרר דיו כדי לאפשר לפוטונים לנוע חופשי ביקום.

עוד בנושא באתר הידען:

קרינת הרקע הקוסמית ממלאית כל סנטימטר מרובע ביקום הנראה, ב-400 פוטונים בתחום גלי המיקרו. הזוהר שלאחר המפץ הגדול מפוזר באופן כמעט אחיד לכל הכיוונים אך שינויים שיוריים קטנים (ברמה של 1 ל-100 אלף) בטמפרטורת הקרינה יכול להראות תבניות ספציפיות. אי הסדירויות מתאימות לצפוי אם תנודות קוונטיות רגעיות גרמו לניפוח היקום עד לגודלו של היקום הנראה כיום.
פרופ' אבי לייב, ראש המחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת הארווארד, מנהל המכון לתיאוריה וחישוביות במרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרונומיה וחבר האקדמיה הלאומית האמריקנית למדעים ואמנויות אומר בראיון טלפוני עם אתר הידען: "צריך להתחיל בסייג שזה ניסוי אחד שעשה תצפיות בתדירות של קרינה מסויימת. תמיד יש סיכוי מסויים שהם אינם מגיעים מהיקום המוקדם אלא מאבק בגלקסיה שלנו הפולט בתדיריות הללו אבל החוקרים עשו כמיטב יכולתם כדי לפסול את האפשרות הזו. עם זאת חשוב ששתי קבוצות בלתי תלויות יאשרו אותה. במידה וזה באמת יתברר כנכון, זו התגלית הכי חשובה ב-15 השנים האחרונות מאז שגילינו (בעזרת טלסקופ החלל האבל. א.ב.) שהיקום לא רק מתפשט אלא שהתפשטות שלו מואצת בזמן.
אסטרונומים פיתחו עוד בשנות השמונים את תיאורית היקום האינפלציוני לפיה בתקופה שמיד לאחר המפץ הגדול (למעשה עשר בחזרת מינוס 34 שניות לאחר המפץ הגדול) התנפח היקום באופן מעריכי (בסדרי גודל של פי 10 בחזקת 25 או 10 מיליון טריליוני טריליונים). בעת ההתנפחות הזו הוגברו התנודות הקוונטיות הללו לקנה מידה קוסמי. "לא רק שהאינפלציה סייעה להסביר מדוע היקום כל כך אחיד בקנה מידה גדול אלא גם כיצד נוצרו ההפרעות הקוונטיות בקנהמידה של הרבה פחות ממילימטר, לגופים עצומים כגלקסיית שביל החלב". מסביר לייב
"אנחנו קיימים בגלל ההפרעות הללו כי האיזור שבו נוצר שביל החלב היה בגדר הפרעה קוונטית. ההפרעות הללו יכולים להיות מתוארים על ידי פונקצית גל כי כידוע בתורת הקוונטים הכל הסתברותי, ומכיוון שהיקום נמתח לממדים עצומים ההפרעות הקוונטיות נמתחו והפכו לעצמים גדולים כמו גלקסית שביל החלב בזמן מאוחר יותר. התגלית מספקת קשר בין העולם הקוונטי שמתאר ממדים קטנים לעולם הקלאסי שאנחנו קיימים בו. כמו כן, היא גם מקשרת אותנו לזמנים הכי מוקדמים ולכן מדובר בתגלית משמעותית מאוד."
בעוד האינפלציה היא עמוד התווך של קוסמולוגית המפץ הגדול, היא נותרה במסגרת התיאורטית. אסטרונומים רבים אינם 'קונים אותה' מכיוון שאיננו יכולים להסביר מהו המנגנון שמסביר מהו המניע להתפשטות מאסיבית כזו, שלא לדבר על עצירתה. הממצאים שפורסמו היום (ב') מספקים תמיכה לאינפלציה.
הטריק היה לחפש בקרינת הרקע הקוסמית את חתימת ההתנפחות האינפלציונית של היקום שתתבטא בתבניות חיוורות במיוחד של אור מקוטב – לחלק מגלי האור יש מישור מועדף של תנודות. אם גלי הכבידה חצו את מארג המרחב-זמן הם היו אמורים למחוץ את המרחב-זמן בכיוון אחד (ובכך לחמם אותו) ולמתוח אותו בכיוון אחר (כלומר לקרר אותו). ההתחממות תגביר את התנודות הקוונטיות הזו לכדי אות הניתן לזיהוי: הפוטונים החמים יותר ולפיכך בעלי האנרגיה הגבוהה יותר יהפכו לנראים בקרינת הרקע הקוסמית ויותירו חתימה מעט מקוטבת.

בתמונה:  גלי כבידה בתבנית E-modes נראים אותו הדבר גם כאשר הם משתקפים במראה. ואילו גלים בתבנית B-modes (מימין) אינם נראים אותו הדבר. איור: נתן מילר.

בתמונה: גלי כבידה בתבנית E-modes נראים אותו הדבר גם כאשר הם משתקפים במראה. ואילו גלים בתבנית B-modes (מימין) אינם נראים אותו הדבר. איור: נתן מילר.

האפקט ייצר שתי תבניות מובחנות E-modes ו- B-modes, הנבדלים ביניהם בסוגיה האם יש להם שוויון בזוג או בפרט. במונחים פשוטים: תבניות E-modes ייראו אותו הדבר גם כאשר ישתקפו במראה בעוד תבניות B-modes לא ייראו זהים.

E-modes נצפו ונחקרו בעבר ואולם בעוד שני המצבים הם תוצר של גלי כבידה מהעידן של ראשית היקום, ה- E-modes יכולים להיווצר באמצעות מנגנונים רבים בעוד ה- B-modes יכול היה להיווצר רק באמצעות גלי כבידה ראשוניים. גילוי הגלים הללו יהווה הוכחה לקיומם של הגלים הללו או כפי שהאסטרונומים מכנים "הוכחת אקדח מעשן" להתפשטות האינפלציונית של היקום שהגבירה את גלי הכבידה ביקום המוקדם.

חברי הצוות ממרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה ניתחו את נתוני התצפיות במשך למעלה משלוש שנים במטרה לשלול טעויות ולזהות באופן חד משמעי עדויות ישירות להתנפחות.

"המחקר מציע תובנות חדשות לכמה מהשאלות הבסיסיות ביותר: מדוע אנו קיימים?, כיצד החל היקום? אומר פרופ' לייב. "תוצאות המחקר אינן מספקות רק אקדח מעשן לאינפלציה, הם גם מספרים לנו מתי התרחשה ההתנפחות ומה היתה עוצמתה."

ההיפר אינפלציה של היקום. איור: מרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה

ההיפר אינפלציה של היקום. איור: מרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה

"הניסוי גם פותח חלון לאנרגיות גבוהות פי 10 טריליון יותר מאלו שניתן להשיג במעבדה ב-LHC בסרן. הסיבה שאנחנו יכולים להגיע לאנרגיות כל כך גבוהות היא כי היקום שקוף לגלי הכבידה והם נוצרו בשלב מוקדם בקיומו של היקום (10 בחזקת 34 שניות). מידות החום היו גבוהות מאוד, ומתאימות למצב שבו הכוחות שאנחנו מכירים – האלקטרו מגנטטי הכוח החלש והכוח החזק מתאחדים. (מדובר בשלושה מתוך ארבעת כוחות הטבע. הכוח הרביעי הוא כמובן כוח הכבידה א.ב).
"האנרגיה שנדרשת כדי לייצר את גלי הכבידה שאנחנו רואים היא בערך האנרגיה שגם גרמה למידות החום הגבוהות הללו. התוצאות מתאימות להשערות לפיהן ברגע שאיחוד הכוחות נשבר היה מעבר פאזה שייצר את התקופה הזו של האינפלציה שבה היקום התפשט בצורה מאוד מהירה מגודל נקודתי, לקוטר של היקום כמעט כמו שאנו רואים אותו היום. זו גם הסיבה מדוע היקום אחיד, כי הוא התחיל מאיזור קטן מאוד שנמתח, כמו שמותחים איזור קטן בחולצה בעזרת מגהץ וכל אי אחידות קטנה נמרחת והאיזור הופך לאחיד."

"הפיסיקה של האינפלציה היא מעבר למודל הסטנדרטי שאיתו עבדנו עד עכשיו. כדי להבין מה קרה שם חשוב מאוד להמשיך לבצע תצפיות על סדירות של קרינת הרקע הקוסמית. אפשר לחשוב על זה כניסוי שמודד דברים שקורים באנרגיות מאוד גבוהות." אומר לייב ומוסיף: "לא רק שהאינפלציה הצליחה להסביר את מקורו של המבנה הקוסמי – הדרך שבה המארג הקוסמי נוצר מההדף שלאחר המפץ הגדול – אלא גם מאפשר לנו לשער השערות פרועות. נראה שהמודל מייצר לא רק יקום אחד, אלא אוסף של יקומים, תכונה המכונה רב-יקום. לאוסף הנתונים אין סוף ולא היתה התחלה והם ממשיכים לצוץ לנצח.

"תוצאות המחקר שפורסם היום מספקות הוכה חזקה לקיומה של "אינפלציה נצחית" המספקת לנו נקודת מבט על המקום השומם שלנו בתוך היקום, בגלקסיה אחת מתוך מאות מיליארדי גלקסיות, אלא שגם כל היקום שלנו עשוי להיות רק בועה אחת באוקיאנוס קוסמי של בועות אחרות."

לייב מדגיש כי למרות שמדובר בתצפית זהו למעשה ניסוי שבו השתמשו החוקרים באלקטרונים החופשיים ביקום כמכשיר למדידת גלי הכבידה. "אנחנו משתמשים באלקטרונים החופשיים שהיו ביקום המוקדם. בשעה שגל הכבידה עבר דרך האיזורים עליהם אנו צופים הוא גרם לחומר לנוע ואת התנועה הזו אנחנו מודדים, למרות זאת ניתן בהחלט להגדיר את הגילוי כגילוי ישיר של כלי כבידה ולא ככזה המסתמך על שיקולים עקיפים. עד כה גלי כבידה לא נמדדו בצורה ישירה. במידה והתגלית הזו תאושש יוענק פרס נובל למגלים."

ומיהם המגלים?

לייב: "בקבוצה יש 4 חוקרים מרכזיים והרבה סטודנטים ופוסט דוקטים, החוקר הראשי שמו ג'ון קובאץ' פרופסור ללא קביעות במחלקה לאסטרונומיה בהרווארד שאני עומד בראשה. סביר להניח שאם זה יתברר כנכון, יש סיכוי סביר שהוא יקבל קביעות וחשוב מכך פרס נובל. זה מאוד מרגש, בפרט שאני זה שהבאתי אותו להארווארד לפני שבע שנים".

אבי בליזובסקי

עורך אתר הידען ([email protected]) כל המאמרים של אבי בליזובסקי באתר הידען

74 תגובות ל “עדות ישירה ראשונה לקיומם של גלי כבידה שגרמו ליקום להתנפח מיד לאחר המפץ הגדול”

  1. קובי

    האם מתכוונים לגלי כבידה לאנרגיות ברמות עצומות? קובי.

הוספת תגובה

  • (will not be published)