ידענים: ראשית היקום

מאת 1 באפריל 2014 13 תגובות

כך אמר בראיון לאתר הידען, פרופ' מרק קמיונקובסקי, פיסיקאי תאורטיקן מאוניברסיטת ג'ון הופקינס, שהציע את עריכת הניסוי בקוטב הדרומי פרופ' קמיונקובסקי התארח באוניברסיטה העברית ונשא את ההרצאה על שם ארנולד רוזנבלום במכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית.

מרק קמיונקובסקי. מתוך דף הבית שלו באתר אוניברסיטת ג'ונס הופקינס

מרק קמיונקובסקי. מתוך דף הבית שלו באתר אוניברסיטת ג'ונס הופקינס

"גילוי התבנית בקרינת הרקע הקוסמית, ובשל כך הוכחת האינפלציה היא התגלית החשובה ביותר בקוסמולוגיה, אבל הוא יצר שאלות חדשות אודות מה שקדם לאינפלציה וכיצד היא התנהלה בכל שלביה". כך אומר פרופ' מרק קמיונקובסקי, פיסיקאי תאורטיקן מאוניברסיטת ג'ון הופקינס, שהציע את עריכת הניסוי בקוטב הדרומי בראיון לאתר הידען, פרופ' קמיונקובסקי התארח אצל פרופ' צבי פירן במכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית ונשא את ההרצאה על שם ארנולד רוזנבלום בפני חוקרי המכון, הרצאה שעסקה כמובן בתגלית החשובה של גילוי גלי הכבידה בקרינת הרקע הקוסמית.

כזכור במסיבת עיתונאים בה השתתף גם פרופ' קמיונקובסקי ב-17 במרס, הכריזו אסטרונומים ממרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה במסצ'וסטס, מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (CALTECH) ומהמעבדה להינע סילוני של נאס"א בקליפורניה, שגילו לפי חישוביהם עדויות 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.

התוצאה התקבלה בסריקת מקטע של השמים תוך חיפוש שינויים זעירים בתבנית קרינת הרקע הקוסמית, ההד של המפץ הגדול שנראה כיום בכל כיוון בשמים בתחום המיקרוגל, בטמפרטורה של שלוש מעלות קלווין. פרופ' קמיונקובסקי הציע עוד בסוף שנות התשעים להציב טלסקופ בקוטב הדרומי, כדי לבחון את קרינת הרקע הקוסמית, תגלית שבוצעה בסופו של דבר בצפיות רצופות במשך שלוש שנים 2010-2012 בידי הצוות שהודיע על הממצאים לפני כשבועיים.

"התגלית של האינפלציה הקוסמית מפתיעה ומספרת לנו דברים שלא ידענו בעבר. זו ללא ספק התגלית הגדולה ביותר מאז הקבוע הקוסמי (והעובדה שהיקום מתפשט באורח מואץ) ב-1998. לדעתי עם הזמן יתגלה שזו אפילו תגלית חשובה יותר. בכל מקרה, שתי התגליות היו בלתי צפויות ולמדנו באמצעותן פרטים חדשים אודות היקום וכיצד הוא מתנהג.

אם פירשנו את האותות נכונה, מדובר בדרישת שלום מהיקום כאשר היה בן טריליונית-טריליונית של טריליונית השניה לאחר המפץ הגדול. אנו יודעים שזה רק קצה הקרחון. רשימת הדברים שאנחנו לא יודעים תמיד תהיה יותר ארוכה מרשימת הדברים שאנו כבר מכירים וזה מרגש לגלות כל פעם דבר חדש.

מוודל האינפלציה הנוכחי ניבא באופן גנרי את קיומם של גלי הכבידה, אך לא ידענו כמה חזקים האותות שנראה, ברגע שגילינו את הסימנים ואנו יודעים את עוצמתם יהיה קל יותר למקד את החיפושים ולענות על שאלות חשובות נוספות כגון כיצד התפתחה התנפחות היקום שלב אחרי שלב, ובפרט מה קדם לה, כי לאינפלציה יש תכונה שהיא מוחקת את כל המידע שהיה לפני התרחשותה.

מה גרם לאינפלציה?

"זו שאלה טובה. כפי שציינתי, התצפיות שבוצעו במסגרת המחקר, נותנות לנו סיבה להאמין שהיתה אינפלציה. יש הרבה תיאוריות שמנסות להסביר מדוע ההיא התרחשה אנחנו עדיין לא יודעים מהי התיאוריה האינפלציונית הנכונה, אבל טווח האפשרויות הצטמצם ובאמצעות מחקר ומדידות נוספים נדע מדוע היא התרחשה."

מדוע בעצם היה צורך להרחיק לקוטב הדרומי, האם זה בגלל שיש שם לילות רצופים של חצי שנה, האם זה לא מייקר את המחקר?

"העלות של טלסקופ בקוטב הדרומי אינה כל כך גדולה. קשה להעריך אצת עלותו המדוייקת משום שהקרן הלאומית למדע (ה-NSF) ממילא כבר מפעילה את התחנה בקוטב הדרומי לצרכים אחרים, כך שהיתה כבר תשתית לניסוי כזה. העלות של הטלסקופ והניסוי עצמו אינם כל כך גדול, בהשוואה למחקרים קוסמולוגיים. אכן, חברי הצוות ירדו לשם בחורף שלנו – שזה הקיץ בחצי הכדור הדרומי, והם עוזבים בחורף האנטרקטי, פרט לחוקר תורן שמפעיל את המערכות בחורף, עבודות התצפית עצמן בוצעה מרחוק. מכיוון שמדובר בגלי רדיו, אין חשיבות ליום או לילה, פרט לשעות שבהם השמש ממש מעליך ובתצפיות שנערכו במשך שלוש שנים. בנוסף, מדובר באיזור נקי מהפרעות".

"הנתונים שלהם משתרעים מ-2010-2012. הם גם השתמש ו בנתונים ממחקר קודם שבוצע (במיכשור פחות מתקדם) בשנים 2006-9 ושיתפו פעולה עם מחקר אחר שגם תוצאותיו הוכנסו לחישוב."

הם גילו תבנית בקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית המכונה BMODE, שהיא ההוכחה לקיומם של גלי כבידה. עם זאת, הם צפו בחלק קטן מאוד של השמים, פחות מ-1% משטח פני השמים. אנחנו יכולים לנסות למדוד את התבנית באיזורים גדולים יותר של השמים. ממה שהבנו עד כה יש איזשהו קוד בתבנית הזו ועד כה קראנו רק רק פיסה קטנה מהמסר. הצעד הבא יהיה למפות שטח גדול יותר של השמים. כאמור זה הספיק כדי להקבל הוכחה שהאינפליה התרחשה, אך מדידות נוספות יגלו לנו כיצד היא התפתחה עם הזמן, ואת המנגנון שקדם לה. יש סוגים שונים של פיסיקה בתחומים בהם התנאים היו שונים לגמרי מאלו שבהם אנו חווים כיום את ארבעת כוחות הטבע. מדידת התבניות הללו על חלק גדול יותר של השמים עשויה לתת עדות כיצד הדבר התרחש."

האם יש לאינפלציה השפעה על דרך יצירת הגלקסיות?

פרופ' קמיונקובסקי: "התשובה היא לא הרבה. הגילוי הנוכחי לא שינה את הידע שיש לנו באשר לשאלה כיצד הגלקסיות נוצרו, אבל הוא כן מעלה שאלה בדבר השפעת ההתפנחות על פיזור הגלקסיות ביקום. ייתכן שנוכל לענות על שאלה זוב אמצעות סקר גלקסיות מקיף."

מה דעתך על תיאוריות הרב-יקום?
"הפתרון של רב-יקום הוא אחד ההסברים התיאורטיים לשאלה מדוע נוצרה האינפלציה. אחת הבעיות עם האינפלציה היא שהיא מוחקת כמעט כל סימן למה שהיה קודם לכן. הגילוי החדש לא מספר לנו מה קדם לאינפלציה אבל אני מקווה שניסויים עתידיים יתנו לנו תשובות בענין. עם זאת, רעיון הרב-יקום הוא רעיון תיאורטי לא בשל. התיאורטיקנים מפנים אליו את כל הסוגיות שאין לנו עליהם תשובה. אני מקווה שהמדידות החדשות ימצאו תשובות לשאלות שעדיין פתוחות, בין אם יוכיחו תיאוריה זו או אחרת. אינני יודע עדיין מה הן יהיו. זה טוב כי ההפתעות הם הדבר הכי טוב במדע. הפתעות בהגדרתן לא יכולות להיות חזויות."

האם אתה מאמין לתוצאות, או שמא עדיין יש מקום לספק?

"כן מדובר בתוצאות בעלות השלכות מדהימות. שאם הטענה נכונה, היא יוצאת דופן מכל טענה אחרת במדע, היא דורשת הוכחה יוצאת דופן, כי שאמר לא אחת קארל סייגן המנוח. הדבר הבא הוא כמו בכל תגלית מדעית שקבוצות אחרות תבצענה את אותן מדידות, ושחבריהם יבדקו שוב את כל ההנחות, ואז נוכל לקבוע בוודאות גבוהה יותר אם מה שרואים אכן נמצא שום. הצוות הנוכחי העלה את הסוגיה. הם עשו עבודה טובה ובחנו בשבע עיניים את התוצאות. הם בדקו כל הסבר חלופי ודחו כמה מהם. תוצאות בקנה מידה כזה צריכות להיבדק שוב, ואני מאמין שתוך שנה שנתיים יהיה לנו מידע נוסף שיאפשר לנו להוכיח זאת."

פרופ' אבי לייב מאוניברסיטת הארווארד ואתה התבטאתם כי זו תגלית בסדר גודל של פרס נובל, האם זה משהו שמתקרב לבוזון היגס שעליו זכו היגס ואנגלר בנובל לפני כחצי שנה?

"זו אפילו תגלית יותר חשובה מההיגס. עד שההיגס התגלה התיאוריה כבר היתה מבוססת, רבות מהחלופות הוסרו וזו היתה רק שאלה של בניית מכשיר מורכב שיוכל לספק את התוצאה. במקרה הנוכחי, כפי שציינתי, גם גילינו דברים שלא ידענו, ולפיכך זו תיאוריה מרגשת יותר."

אבי בליזובסקי

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

13 תגובות ל “"קיבלנו מסר חשוב משברירי השניה הראשונים של היקום לאחר המפץ הגדול"”

  1. צבי

    ערן,

    האינפלטונים כבר מזמן דעכו למצב היסוד – הדבר קרה שבריר שנייה לאחר המפץ הגדול וזו הסיבה שהאינפלציה נעצרה.נכון להיום היקום מואץ מסיבה אחרת.
    מתמטית, נראה כאילו יש קבוע במשוואה המתארת את התפשטות היקום שאפשר לפרש כ-"אנרגיה של הריק" או מה שמכונה "האנרגיה האפילה". נכון להיום אין עדיין הבנה טובה של מה הדבר הזה ואיך בדיוק הוא עובד, אבל לא סביר שהוא מנגנון כמו האינפלטון של ראשית היקום, שכן הדבר ידרוש ששדה קוואנטי יתקיים במשך מילארדי שנים בלא להגיע למצב יציב (בו הוא אינו יכול עוד "להזריק" אנרגיה לפיצוץ).

  2. ערן

    צבי תודה מאוד מעניין, אז בגדול ברגע שהאנרגיה של האינפלטונים תגמר הייקום אמור, להאט את התפשטות? או להמשיך להתפשט אבל באופן קבוע ולא מואץ?

  3. צבי

    ערן,

    ההשוואה לפיצוץ רגיל אינה נכונה.
    כדי להבין מהו ההבדל (מעבר להסבר הגאומטרי שניסים נתן), נדבר על שלב האינפלציה בו הייתה התפשטות מואצת ולא על ההתפשטות המואצת של היום שסיבותיה עדיין אינן ברורות.

    רעיון האינפלציה נולד כדי להסביר בעיות רבות במודל המפץ הגדול שדרשו fine tuning.
    ההנחה, היא כי בשלבים המוקדמים של היקום היה עיקר האנרגיה בחלקיקים המכונים ה-"אינפלטונים".
    חלקיקים אלו היו במקור במצב מעורר ועם התקררות היקום ירדו אל מצב היסוד שלהם – בעקבות זאת הם שחררו אנרגיה רבה וזו גרמה להאצת התפשטותו של היקום.

    את הפרטים המדוייקים של הרעיון עזוב, אבל לצורך ההשוואה לפיצוץ רגיל שים לב שיש כאן הבדל משמעותי:
    בפיצוץ רגיל כמות האנרגיה הזמינה לפיצוץ הולכת וקטנה עם הזמן או לכל היותר נשארת זהה. במפץ הגדול לעומת זאת "הוזרקה" אל היקום אנרגיה אשר הייתה לפני כן אצורה באינפלטונים (אני אומר "הוזרקה" במרכאות שכן האנרגיה הזו לא נוצרה יש מאין, פשוט טרם האינפלציה היא לא הייתה זמינה להתפשטות היקום). אנרגיה זו שעברה מהאינפלטונים לאנרגיה חופשית לצורך ההתפשטות היא שאיפשרה את ההתפשטות המואצת.
    הדבר דומה לפיצוץ רגיל המפזר כדוריות חומר נפץ אשר נבנו כך שכאשר הלחץ יורד אל מתחת לסף קריטי מסויימת מתחילות הכדוריות להתפוצץ. פיצוץ מעין זה יתפשט במהירות קבועה או ילך ויואט עד שמגיעים ללחץ הקריטי ואז פתאום ירוויח המון אנרגיה ויחל להאיץ מחדש כאשר עוד ועוד כדוריות מתפוצצות. ה-"אינפלציה" במקרה זה תיעצר כאשר יגמרו הכדוריות או במקרה של האינפלציה ביקום, כאשר יגיע האינפלטון למצב היסוד ולא יוכל עוד להזריק אנרגיה.

  4. ערן

    ניסים קראתי את הלינק ששלחת נראה לי יש 50 אנשים בכל העולם שיכולים להבין את זה 🙂

  5. ניסים

    שמוליק
    אתה צודק. הפוטונים נוצרו אחרי 10 שניות, אבל היו "חופשיות " אחרי הזמן שציינתי. היה מעניין לראות את זה 🙂

  6. שמוליק

    ניסים,
    לפי מה שאני יודע, זה לא הפוטונים נוצרו כל כך מאוחר אלא שעד הזמן שנקבת, היקום הכיל פלסמה רותחת והפלסמה הזו אטומה לקרינה. לכשהיקום התקרר, בהדרגה, היקום נעשה שקוף ואז פוטונים יכלו לנוע ממקום למקום, בחופשיות וזו אכן קרינת הרקע שהתגלתה.

  7. ערן

    ניסים תודה על ההסבר, רציתי לדעת למה הייקום מאיץ את התפשטותו? למה ההתפשטות היא לא קבועה? האם האנרגיה ששוחררה היא אינסופית? או שהיא מתגברת עם הזמן עד אין קץ?

  8. ניסים

    ערן
    המפץ הגדול אינו פיצוץ במובן של פצצה שמתפוצצת לתוך חלל. אני מסביר את זה לעצמי ככה: יש 4 צירים במרחב, 3 הרגילים ועוד ציר זמן. הרעיון הוא שכל הצירים שקולים, ואז הם מתנהגים אותו דבר. כל הצירים מתחילים בנקודה אחת בעולם הארבע-מימדי. בנקודת ההתחלה, האורך של כל הצירים הוא 0. כלומר – ממש נקודה. כשהזמן עובר – מתארכים כל 4 הצירים. זה הסבר עקום לגמרי … אבל עוזר לי לדמיין את המצב.

    בשלב מסויים נוצרו הפוטונים הראשונים, כ-380 אלף שנה אחרי ההתחלה. זה צפוי וזה אכן התגלה – זו קרינת הרקע הקוסמית שהתגלתה לפני בערך 50 שנה (פנזיאס-ווילסון).

    בשלב יותר מוקדם נוצר המסה – וזה מה שאומרים שגילו עכשיו, "הדים" מיצירת המסה הזאת.

  9. ערן

    מישהו יכול להסביר איך זה יתכן שהיקום מאיץ את התפשטותו? בכל פיצוץ רגיל האנרגיה מואטת לבסוף ובייקום זה לא המצב. המפץ הגדול לא מתנהג כמו מפץ יש לו תכונות אחרות, איך אפשר לקבוע בכלל שהיה מפץ גדול אם הוא לא מתנהג כך? וגם לגבי הקרינה הקוסמית שאני מבין שזה האקדח המעשן אבל אולי זה לא ההסבר השלם הנכון? אם מתרחשת האצה אז אולי גם הייתה האטה בעבר או משהו בכלל אחר, אשמח לקבל תשובות בכבוד רב

  10. אביהו

    אם אני ירחיק לכת האם תהיה לנו בעתיד הטכנולוגיה לבנית חלליות העובדות על עיקרון שיבוש אפקת הגרויטציה ושליטה מלאה על החלל ללא תלות באנרגיה שאנו משתמשים כיום לצורך החלליות

הוספת תגובה

  • (will not be published)