הפיסיקה של בריאת העולם – תגליות חדשות על מבנה היקום

 במאה השנים האחרונות הייתה התקדמות רבה בכל תחומי המדע. אחד התחומים שבהם ההתקדמות הייתה מרשימה במיוחד הוא תחום האסטרונומיה והאסטרופיסיקה (הפיסיקה של היקום)

** הסבר לאיור

 מאת פרופ' יורם קירש, המחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה. פרופ' קירש הרצה על הנושא בכנס השנתי של האגודה הישראלית לאסטרונומיה שהתקיים אתמול, שישי, באוניברסיטה הפתוחה ברעננה.

את עיבוד הנתונים אפשר לתאר בצורה הבאה. מחלקים את השמים למשבצות בעלות רוחב זוויתי מסוים (למשל 10) ומחשבים את ההפרש בין הטמפרטורה הממוצעת בכל משבצת, לטמפרטורה הממוצעת של קרינת הרקע כולה. אחר-כך מחשבים את הממוצע של ההפרשים הללו. כאשר משנים שוב ושוב את גודל המשבצות וחוזרים על החישוב, מתקבל הגרף שבאיור. הציר האנכי בגרף הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע (?T) ביחידות של 1 חלקי 100,000 מעלות קלווין. בציר האופקי מופיע הפרמטר l שקשור לגודל המשבצות. (1800 חלקי l הוא הרוחב הזוויתי של המשבצות, שמופיע בסקלה העליונה). העיגולים המופיעים בגרף הם תוצאות של מדידות של MAP ושל כמה ניסויים קרקעיים. הקו הרציף מציג את החישוב התיאורטי של ?T, שמתאים לתוצאות המדידות.

 במאה השנים האחרונות הייתה התקדמות רבה בכל תחומי המדע. אחד התחומים שבהם ההתקדמות הייתה מרשימה במיוחד הוא תחום האסטרונומיה והאסטרופיסיקה (הפיסיקה של היקום). קשה להאמין עד כמה הידע האסטרונומי שלנו לפני פחות ממאה שנה, היה מועט. לדוגמא, עד שנת 1924 האסטרונומים חשבו שגלקסיית שביל החלב היא היקום כולו. השערה זו הופרכה ב-1924 על-ידי האסטרונום האמריקאי אֶדְוִין הַאבְּל, שחקר גרמי שמים דמויי ערפילית במצפה הר וילסון שבדרום קליפורניה. בהשתמשו בטלסקופ בקוטר 2.5 מטרים של המצפה, הוכיח האבל כי הערפיליות הללו נמצאות מחוץ לגלקסיה שלנו, ומהוות גלקסיות בפני עצמן.

בשנים 1925 – 1929 גילה האבל תגלית נוספת: הגלקסיות ביקום מתרחקות זו מזו, וקיים יחס ישר בין מרחקה 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 הקוסמיתההוכחה הטובה ביותר למפץ הגדול היא “קרינת הרקע הקוסמית” שהתגלתה בשנת 1965. גילו אותה שני פיסיקאים מחברת בֶּל, ארנוֹ פֶּנְזִיאַס (Penzias) ורוברט וִילְסוֹן (Wilson), שבדקו אנטנת רדיו חדשה לתקשורת לוויינים. הם גילו שהאנטנה קולטת “רעש” מתמיד של קרינה אלקטרומגנטית בתחום גלי המיקרו. הקרינה הזאת הגיעה בעוצמה זהה מכל הכיוונים בשמים והתברר שהיא מתנהגת כקרינה שפולט גוף בטמפרטורה של כשלוש מעלות מעל לאפס המוחלט. (קרינה שהמאפיינים שלה מתאימים לקרינה שפולטים גופים חמים מכונה בפי הפיסיקאים “קרינת גוף שחור”). הוברר 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 “משוגע לדבר” אחד שחשב אחרת. היה זה ד”ר ג'ורג' סמוט, (Smoot) מברקלי, שמשנת 1970 עסק במדידות של קרינת הרקע בעזרת מכשירים שהוטסו במטוסים ובבלונים. סמוט יזם מחקר לגילוי אי האחידות בקרינת הרקע. התכנון החל באמצע שנות השבעים והמחקר 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. התוצאות סיפקו אימות מחודש ומרשים למפץ הגדול וזכו להד רב. סמוט כתב על-כך ספר מרתק בשם קמטים בזמן (יצא בעברית בהוצאת ספריית מעריב).

בעקבות הממצאים של קובי החלו אסטרופיסיקאים לבדוק באופן תיאורטי כיצד משפיעים פרמטרים שונים, כגון גיל היקום וכמות החומר ביקום, על התנודות בקרינת הרקע. הבדיקות הראו כי אפשר להפיק מהתנודות הללו מידע חשוב, אם ימדדו אותן במכשירים מדויקים יותר מאשר אלה של קובי. המפה של קרינת הרקע שסיפק קובי איפשרה לחוקרים להשוות את הטמפרטורה הממוצעת בין אזורים שקוטרם שבע מעלות קשת ויותר (במעגל השלם יש 360 מעלות). אפשר להשוות זאת לתמונת פספורט בגודל של 5?5 ס”מ, שמורכבת מריבועים בגודל של 1?1 מ”מ בשחור, לבן וגוונים של אפור. יתכן שנוכל לזהות מי מצולם בתמונה, אך ספק אם איכותה תספיק לצורך דרכון או תעודת זהות.

נאסא, שסייעה לבניית קובי והטיסה אותו לחלל, החלה לתכנן לוויין מחקר חדש למדידת קרינת הרקע. הלוויין כונה MAP (ראשי תיבות של Microwave Anisotropy Probe. אחר כך הוא כונה WMAP לזכר דייוויד וילקינסון [Wilkinson] שהיה מיוזמי MAP). כושר ההפרדה במדידות של MAP הגיע לחמישית המעלה. MAP שוגר בהצלחה ביוני 2001 וקהילת האסטרופיסיקאים ציפתה בקוצר רוח לתוצאות.

פענוח סודות הבריאה
המדידות נמשכו שנה שלמה כאשר MAP חג סביב השמש ונמצא כל העת במרחק של 1.5 מיליון ק”מ מכדור הארץ. כל פיסת שמים נדגמה כמה 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. יחד עם תוצאות של מכשירים קרקעיים ומכשירים ששוגרו בבלונים, 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 13 – 15 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 מסתם של כוכבים רחוקים יותר, אבל האם אפשר להעריך את המסה הכוללת של היקום, או את צפיפות החומר ביקום? 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, התפשטות היקום תימשך לעד. אם היא מעל לצפיפות הקריטית, ההתפשטות תהפוך כיוון ברגע כלשהו, ובסופו של דבר כל החומר שביקום יהיה שוב צבור באזור קטן מאד.

הממצאים של MAP פתרו 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 אנרגייה קדמונית, או תופעה חדשה שלא הייתה קיימת ביקום הקדום? עדיין אין אנו יודעים את התשובה. נקווה שהיא תמצא בעתיד.

* ביום ההיפוך הקיצי: האוניברסיטה הפתוחה קיימה יום עיון בנושא אסטרונומיה וחקר החלל

האוניברסיטה הפתוחה קיימה יום עיון בנושא אסטרונומיה וחקר החלל לרגל 100 שנה לפרסום המאמר של אלברט איינשטיין על תורת היחסות (יוני, 1905) ובמסגרת אירועי שנת הפיסיקה הבינלאומית.
ההרצאות ביום העיון הציגו את הידע האסטרונומי המעודכן והמודרני המתבסס על התצפיות האחרונות מחלליות ומטלסקופים בכדור הארץ.

פרופ' יורם קירש מהמחלקה למדע הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה ידבר ביום העיון על על התגליות של החלליות COBE ו – WMAP ועל האופן שבו מתארת הפיסיקה את בריאת העולם. פרופ' אליה ליבוביץ מבית הספר לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת ת”א, סיפר על ההתפוצצות האדירה ביותר ביקום, של כוכבים הידועים בשם “מתפרצי קרינת גמא”; יגאל פתאל מהאגודה הישראלית לאסטרונומיה והאוניברסיטה הפתוחה הסביר מהם ליקויי חמה ולבנה ובפרט יציג את ליקוי החמה המלא שיתרחש בקרבת ישראל במרץ 2006; לסיום, ד”ר יואב יאיר, מהמחלקה למדעי הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה, הציג חידושים ותגליות בחקר כוכבי הלכת מאדים, שבתאי וגופים אחרים במערכת השמש.
 
 
 תקציר הרצאה ב-21.6.05) * [הערה: התקציר כבר פורסם ב”עדכן”, בטאון האוניברסיטה הפתוחה]
* המאמר פורסם לראשונה באתר הידען ב- 22.6.2005