ידענים: היקום | ראשית היקום

מאת 11 ביוני 2016 180 תגובות

מאת פרופ' עמרי ונדל, האוניברסיטה העברית * תגלית חדשה של אסטרונומים בכירים מארה"ב (חלקם מהצוות שגילה את ההתפשטות המואצת של היקום ב-1998) המתפרסמת החודש עומדת בסתירה לתוצאות המפורטות של מדידות קרינת הרקע המדויקות ביותר בשנים האחרונות ומעמידה בסימן שאלה את המודל המפץ הגדול

 

 תמונת התגלית (כוכבים משתנים בגלקסיה סמוכה)

תמונת התגלית (כוכבים משתנים בגלקסיה סמוכה)

מאז גילוי ההתפשטות המואצת של היקום בשנת 1998 חלה מהפכה במדע הקוסמולוגיה ובתיאורית המפץ הגדול, אשר בעקבותיה נדמה היה שכעת כל המדידות מתאימות לתאוריה המתוקנת, הכוללת האצה על ידי "אנרגיה אפלה" (וראה "פרס נובל שלישי בקוסמולוגיה", עמרי ונדל, גלילאו, נובמבר 2011).

תגלית חדשה של אסטרונומים בכירים מארה"ב (חלקם מהצוות שגילה את ההתפשטות המואצת של היקום ב-1998) המתפרסמת החודש עומדת בסתירה לתוצאות המפורטות של מדידות קרינת הרקע המדויקות ביותר בשנים האחרונות ומעמידה בסימן שאלה את המודל המפץ הגדול.

המחקר, הצפוי להתפרסם בכתב העת אסטרופיסיקל ג'ורנל, מבוסס על תצפיות בטלסקופ בקוטר 10 מ' במצפה הכוכבים קק (Keck) על הר Maunakea בהוואי ובטלסקופ החלל האבל ומציג את המדידה המדויקת ביותר עד כה של מהירות התפשטות היקום בהווה. להפתעת האסטרונומים, התוצאות אינן עולות בקנה אחד עם מהירות ההתפשטות שחושבה על סמך נתונים אחרים והבנתנו הנוכחית את הפיזיקה של היקום. מחברי המאמר מצאו כי היקום בהווה מתפשט בכ- 9% מהר מהצפוי. אם תוצאה זו נכונה יש שתי אפשרויות: או שמדידות קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו מוטעות, או שתופעה פיזיקלית בלתי ידועה מאיצה את התפשטות המרחב, מהר מכפי שהאסטרונומים חשבו עד כה (ראו 'להרחבה').

"אם התוצאה שלנו נכונה – והקזנו דם, יזע ודמעות כדי להעריך במדויק את אי הוודאות – אנו מגיעים למסקנה כי יש בעיה עם תחזיות על סמך מדידות של קרינת הרקע הקוסמית, קרינה שהיא מעין "הד" מן המפץ הגדול " אמר אלכס פיליפנקו ((Filippenko, פרופסור לאסטרונומיה באוניברסיטת ברקלי ואחד ממחברי המאמר.

קבוצתו של Filippenko מדדה את שכיחותם הכימית של גזים סמוך לכוכבים משתנים מסוג קפאידים (המשמשים לכיול מדידות מרחק) בגלקסיות קרובות יחסית לגלקסיה שלנו, שבהן גם נצפו סופרנובות מסוג Ia. צרוף זה איפשר להם לשפר את הדיוק במדידת מרחקיהן של גלקסיות אלה, ובכך לכייל ביתר דיוק את בהירויות השיא של סופרנובות מסוג Ia, בהן משתמשים למדידת מרחקיהן של גלקסיות מרוחקות. מדידות אלה משמשות גם לקביעת קצב ההתפשטות של היקום בעבר הרחוק, ממנו מסיקים את האצת ההתפשטות.

"המדידות שביצענו הן המדוייקות ביותר שנעשו עד כה. צמצמנו ככל הניתן את אי הוודאות במדידת התפשטות היקום והערכנו ככל שניתן את גודלה של גודלה של אי הוודאות במדידות," אמר Filippenko, "ועדיין אנו מוצאים כי קצב ההתפשטות שאנו מודדים אינו עולה בקנה אחד עם השיעור הצפוי מתצפיות ביקום הצעיר, דבר המצביע על כך שמשהו חשוב עדיין חסר בהבנתנו את היקום. כאילו שהיקום מוליך אותנו שולל, או שהבנתנו לגבי היקום אינה שלמה".

הסיבה יכולה להיות קיומו של, חלקיק בלתי ידוע – אולי סוג רביעי של נייטרינו (חלקיק כמעט חסר מסה וחסר מטען חשמלי הנוצר בתגובות דעיכה גרעינית, ועד כה ידועים רק שלושה סוגים שלו – נייטרינו אלקטרוני, מיואוני וטאו) – או שהשפעתה של האנרגיה אפלה (האמורה להסביר את ההאצה בהתפשטות היקום, ולפי התיאוריה הבסיסית היא אמורה להיות קבועה ובלתי משתנה עם התפשטות היקום) בכל זאת גדלה ב- 13.8 מיליארדי השנים שחלפו מאז נוצרה קרינת הרקע ביקום המוקדם. אפשרות נוספת להסבר אי ההתאמה היא שתורת היחסות הכללית של איינשטיין, המהווה את הבסיס למודל הסטנדרטי של המפץ הגדול, אינה מדויקת.

"התגלית המפתיעה הזו עשויה להיות רמז חשוב להבנת אותם מרכיבים מסתוריים של היקום המהווים 95 אחוז ממנו אך אינם פולטים אור, כגון אנרגיה אפלה, חומר אפל וקרינה אפילה," אמר חתן פרס נובל אדם ריס (Adam Riess), ראש מכון טלסקופ החלל וחוקר באוניברסיטת ג'ון הופקינס, בבולטימור, מרילנד. ריס היה פוסט דוקטורנט באוניברסיטת קליפורניה בברקלי וחבר בצוות המחקר שמצא את ההתפשטות המואצת של היקום ב-1998, אז עבד עם Filippenko.

ההד מן המפץ הגדול

לפני מספר שנים, מדד טלסקופ החלל פלאנק (Planck) של סוכנות החלל האירופית את אי האחידות המרחבית בקרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו, כדי לחקור את ההיסטוריה המוקדמת של היקום. המדידות של פלאנק, בשילוב עם המודל הפיזיקלי המקובל של היקום, נותנות מהירות התפשטות עכשוית של 66.53 (± 0.62) קילומטרים לשניה למגאפרסק.

קבוע האבל והתפשטות היקום

שלושת השלבים של קבוע האבל. לחצו להגדלה

שלושת השלבים של קבוע האבל. לחצו להגדלה

האסטרונום האמריקאי אדוין האבל (Edwin Hubble) מדד בשנות הערים של המאה העשרים את המרחקים למספר רב של גלקסיות סמוכות ומצא כי הגלקסיות מתרחקות מהגלקסיה שלנו במהירות v) ) התלויה ביחס ישר במרחקן מאיתנו (r). ניתן לכתוב זאת במשואה פשוטה הנקראת חוק האבל, v=Hor. הערך Ho נקרא הקבוע של האבל, והוא נמדד ביחידות של קילומטרים לשניה למגאפרסק (km/sec / Mpc). מגאפרסק הוא יחידת מרחק אסטרונומית השווה ל-3.26 מיליון שנות אור. לדוגמא, לפי הערך של קבוע האבל שלעיל, שחושב מהמדידות של טלסקופ פלאנק, גלקסיה המרוחקת מאיתנו 326 מיליון שנות אור, מתרחקת במהירות של 6653 (±62) קילומטרים לשניה. קבוע האבל מתאר למעשה את מהירות ההתפשטות של היקום בכל רגע נתון. ערכו משתנה עם התפתחות היקום, וערכו כיום נתון על ידי Ho.

בעבר נקבע קצב התפשטות של היקום, הוא קבוע האבל, על ידי מדידות ישירות של מהירות ההתרחקות של גלקסיות. הערך שנמדד היה בין 70 ל-75 קילומטרים לשניה למגאפרסק (km/sec / Mpc), פלוס מינוס כאחוז אחד () km/sec / Mpc 5-10) ±). תוצאה זו אינה מתאימה בדיוק עם התחזית מקרינת הרקע (שהיא כאמור כ-0.6±66.5 km/sec / Mpc) אבל בשל אי הוודאות במדידת המרחקים עד כה, היא בגדר האפשרי במסגרת אי הדיוק במדידה (1-2 סטיות תקן). לעומת זאת, המדידה החדשה של פיליפנקו וקבוצתו נותנת אי ודאות קטנה בהרבה, 73.24 (± 1.74) km/sec / Mpc, רק 2.4 אחוזים, ולכן סותרת בבירור את התחזיות מקרינת הרקע (אי התאמה של כ-4 סטיות תקן).

צוות החוקרים, שכמה מהם היו חלק מצוות חיפוש הסופרנובות המרוחקות Supernova High-z אשר גילה את ההתפשטות המואצת של היקום בשנת 1998, שיכלל את מדידת קצב ההתפשטות הנוכחי של היקום על ידי פיתוח שיטות טכנולוגיות מתקדמות המשפרות את הדיוק של מדידות מרחקים לגלקסיות רחוקות.
הצוות מדד את מרחקיהן של גלקסיות שבהן נראים שני מדדי מרחק: גם סוג של כוכבים שעוצמת האור שלהם משתנה באופן מחזורי, הנקראים קפאידים (על שם אב-הטיפוס לסוג זה של כוכבים, כוכב משתנה במערכת קפאוס) וגם סופרנובות (כוכבים מתפוצצים) מסוג Ia.

קפאידים, סופרנובות ומדידת מרחקים אסטרונומיים

השיטה הנפוצה ביותר למדידת מרחקים של גלקסיות נקראת שיטת הנר הסטנדרטי (Standard Candle). השיטה מבוססת על מציאת עצמים בהירים, כמו כוכבים וסופרנובות, בגלקסיה שאת מרחקה רוצים למדוד, שכמות האור שהם פולטים במקור (בהירות מוחלטת, Absolute magnitude) ידועה או ניתנת להערכה מדויקת באופן שאינו תלוי במרחק. משנמצא עצם כזה משתמשים בחוק ריבוע המרחק, הקובע שעוצמת האור כפי שהיא נראית לעינינו (הבהירות הנראית, Apparent magnitude) יורדת באופן מתכונתי לריבוע המרחק לעצם הנמדד. מתוך ידיעת הבהירות המוחלטת ומדידת הבהירות הנראית ניתן לחשב את המרחק.

אורך זמן המחזור של שינוי הבהירות בקפאידים מתכונתי לבהירות המוחלטת שלהם. מתוך מדידת זמן המחזור ניתן להסיק את הבהירות המוחלטת, לכן הקפאידים יכולים לשמש כנר סטנדרטי. מהשוואה בין הבהירות המוחלטת לבהירותם כפי שהם נראים מכדור הארץ, ניתן לחשב במדויק את מרחקם ולפיכך, את מרחקי הגלקסיות שבהן הם שוכנים. בשיטה זו השתמש הבל בתחילת המאה העשרים כדי למדוד את המרחקים לגלקסיות הקרובות ששמשו אותו לגילוי החוק הנקרא על שמו.

גם הסופרנובות מסוג Ia, משמשות כנר סטנדרטי ומדד למרחק כיון שבכולן עוצמת האור בשיא ההארה מגיעה לערך דומה. כיון שסופרנובות בהירות בהרבה מכוכב בודד, הן נראות למרחקים גדולים בהרבה ושימושיות למדידת מרחקיהן של גלקסיות רחוקות מאוד. סופרנובות מסוג זה שמשו במחקר שמצא את ההתפשטות המואצת של היקום בשנת 1998. הבעיה שהתפוצצות סופרנובה היא ארוע נדיר, שאפילו בגלקסיה גדולה כמו שביל החלב מתרחש רק אחת לכמאה שנים. בנוסף הסופרנובה דועכת תוך זמן קצר. כדי לחשב בדיוק את בהירות השיא יש לצפות בה מיד אחרי התלקחותה. כדי למצוא סופרנובות האסטרונומים מחפשים כל הזמן במיליוני גלקסיות בו-זמנית.

החוקרים מדדו כ -2,400 קפאידים ב-19 גלקסיות קרובות יחסית שהבן גם נצפו סופרנובות מסוג Ia. על ידי השוואת הבהירות הנראית של הקפאידים והסופרנובות הם קבעו במדויק את הבהירות האמיתית של הסופרנובות מהסוג Ia. לאחר מכן הם השתמשו בכיול זה של בהירות הסופרנובות כדי לחשב מרחקיהן של כ- 300 סופרנובות מסוג Ia בגלקסיות מרוחקות.

"היינו זקוקים לגלקסיות הקרובות יחסית (שמרחקיהן ניתנים למדידה באמצעות הקפאידים), כדי לכייל את בהירות הסופרנובות מסוג Ia שניצפו בהן, והן לגלקסיות המרוחקות יותר, שגם בהן נצפו סופרנובות מסוג Ia, כדי לקבוע את קבוע האבל," אמר Filippenko. "המאמר הנוכחי מתמקד 19 הגלקסיות הסמוכות ובקביעת מרחקיהן בדיוק גבוה, עם חוסר ודאות קטן, ובהבנה יסודית של מקורות אי-הוודאות במדידה".

"אם אנו יודעים את הכמויות הראשוניות של חומר ביקום, כגון אנרגיה אפלה וחומר אפל, ויש לנו את הפיזיקה נכונה, אז ניתן להתקדם ממדידת התנאים זמן קצר לאחר המפץ הגדול (כמו הזמן בו שנוצרה קרינת הרקע, כאשר היקום היה בן 380,000 שנה) ולהשתמש בהבנה זו כדי לחזות את מהירות התפשטות היקום כיום, " אמר ריס. "יחד עם זאת, אם לא נצליח להבין את הפער בין מהירות ההתפשטות העכשוית, החזויה מנתוני קרינת הרקע, למהירות שנמדדה בעבודה הנוכחית, נראה שטרם הגענו להבנה הנכונה של התפשטות היקום, הקובעת את גודלו של קבוע האבל כיום."

את אי ההתאמה ניתן כאמור להסביר באמצעות גידול בהאצת התפשטות היקום על ידי אנרגיה אפלה. בנוסף ייתכן הסבר המבוסס על קיומו של חלקיק תת-אטומי יסודי בלתי מוכר הנע המהירות הקרובה מאוד למהירות האור הנקרא "קרינה אפילה". הסבר אפשרי אחר הוא חומר אפל בעל מאפיינים מסוימים, מוזרים ובלתי צפויים. חומר אפל מהווה את עמוד השדרה של היקום, שעליו ניבנו הגלקסיות ויצרו את המבנים בקנה מידה גדול הנראים כיום.

להרחבה

לקריאה נוספת

עוד בנושא באתר הידען:

180 תגובות ל “האם היקום מתפשט מהר מכפי שחשבנו?”

  1. ניסים

    יריב
    בדיוק כך – הכוח שמושך את הירח אלינו, כוח הכבידה, הינו כוח צנטריפטלי. פרוש המילה "חיפוש המרכז".
    כוח צנטריפוגלי הינו כוח מדומה. זבוב שעומד על תקליט מסתובב מרגיש שהוא "נזרק החוצה" למרות שבעצם החיכוך עם התקליט מושך אותו פנימה.

  2. ישראל שפירא

    "חומה בפושינג אינה זהה לחומה של מסה ניוטונית" התכוונת בטח למסה נקודה.

    למה?

    "נשלח את יהודה לקבל פרס נובל" התכוונת בטח לעמוד בתור הארוך, אחרי פטיו, לסאז', ראובן ניר וחבריהם.

    ממה ששמעתי, אנשים עומדים בתור הזה כבר 300 שנה. הם תמיד אומרים להם לא, אך העיקר זה הרומנטיקה.

  3. יריב

    ישראל,

    ״בוודאי שאפשר למדוד הבדלים קטנים בכבידה, אך אם חומה בפושינג זהה למסה אצל ניוטון, איך תדע אם ההבדל שמדדת הוא בגלל פושינג? בקיצור, מה הניסוי או הסימולציה אמורים להראות?״

    זה בדיוק העניין, אני טוען שחומה בפושינג אינה זהה לחומה של מסה ניוטונית, וכך אוכל להבדיל בינהן. את כוח המשיכה שהחומה החצויה אמורה ליצור על המשקולת אנו יודעים לחשב בקלות, אם נמדוד ונגלה שהמשיכה בפועל היא נגיד רק 60% או רק 40% ממה שציפינו לראות על פי החישוב, וכאשר נסגור את הפתח בחומה אז המשיכה שנמדוד תתאים בול לחישוב שעשינו, נדע שתיאוריית חלקיקי הפושינג נכונה ונשלח את יהודה לקבל פרס נובל.

    הסימולציה נועדה לבדוק בדיוק את זה, לראות אם צפוי באופן תיאורתי הבדל במה שהמשקולת הזעירה מרגישה עבור כל אחת מהתיאוריות.

הוספת תגובה

  • (will not be published)