היקום הלא אחיד: התפשטות היקום ותורת היחסות הכללית של איינשטיין

כמעט תמיד מניחים בחישובים קוסמולוגיים שיש פיזור אחיד של חומר ביקום. זאת משום שהחישובים יהיו יותר מדי מסובכים אם יכללו את המקום של כל כוכב וכוכב. במציאות היקום לא אחיד: יש מקומות עם כוכבים ופלנטות, ובמקומות אחרים יש רק חלל ריק. כעת חוקרים מנסים להבין איך מתחשבים בכך

מדענים חוקרים את התפשטות היקום באמצעות שיטות מפיזיקה של גופים רבים.

כמעט תמיד מניחים בחישובים קוסמולוגיים שיש פיזור אחיד של חומר ביקום. זאת משום שהחישובים יהיו יותר מדי מסובכים אם יכללו את המקום של כל כוכב וכוכב. במציאות היקום לא אחיד: יש מקומות עם כוכבים ופלנטות, ובמקומות אחרים יש רק חלל ריק.

הפיזיקאים מייקל טה פרוכט ופרופ' רפאל ויטקובסקי מהמכון לפיזיקה תאורטית והמרכז לננו-טכנולוגיה  רכה (ננו-טכנולוגיה שמתייחסת לחומרים אורגנייים או אורגנו-מתכתיים)  באוניברסיטה של מינסטר פיתחו, יחד עם הפיזיקאית ד"ר סבינה הוסנפלדר מהמכון למדעים מתקדמים של פרנקפורט, מודל חדש לבעיה. נקודת ההתחלה שלהם הייתה הפורמליזם מורי-צוונציג, שיטה לתיאור מערכות המורכבות ממספר רב של חלקיקים באמצעות מספר קטן של גדלים נמדדים. תוצאות המחקר פורסמו כעת בכתב העת Physical Review Letters.

רקע: תורת היחסות הכללית שפיתח אלברט איינשטיין היא אחת מהתאוריות הכי מצליחות בפיזיקה המודרנית. לשניים מחמשת פרסי נובל האחרונים בפיזיקה יש קשר אליה: ב-2017 על המדידה של גלי כבידה, וב-2020 על הגילוי של חור שחור במרכז שביל החלב. אחד היישומים הכי חשובים של התאוריה הוא בתיאור של התפשטות היקום מאז המפץ הגדול. המהירות של ההתפשטות הזאת נקבעת על ידי כמות האנרגיה ביקום. בנוסף לחומר הנראה, החומר האפל והאנרגיה האפלה הם אלה שמעל לכל ממלאים תפקיד כאן – לפחות לפי מודל למדא-CDM המשמש כיום בקוסמולוגיה.

"במובן הצר של הדברים, שגוי מבחינה מתמטית לכלול את הערך הממוצע של צפיפות האנרגיה של היקום במשוואות של היחסות הכללית", אומרת סבינה הוסנפלדר. השאלה עכשיו היא עד כמה השגיאה הזאת "חמורה". יש מומחים שסבורים שהיא לא רלבנטית, אחרים רואים בה את הפתרון למסתורין של החומר האפל, שטיבו הפיזיקלי עדיין לא ידוע. ייתכן שלפיזור לא אחיד של המסה ביקום יש השפעה על מהירות התפשטות היקום.

"הפורמליזם מורי-צוונציג כבר משמש בהצלחה בתחומי מחקר רבים, מביופיזיקה ועד לפיזיקת חלקיקים", אומר רפאל ויטקובסקי, "לכן הוא הציע גישה מבטיחה לבעיה האסטרופיזית הזאת". הצוות הכליל את הפורמליזם הזה כך שאפשר ליישם אותו ביחסות הכללית, ובעשותם זאת יצרו מודל להתפשטות היקום שמביא בחשבון את הפיזור הלא אחיד של חומר ביקום.

המודל מנבא באופן מוצק את ההשפעה של חוסר ההומוגניות הזה על מהירות התפשטות היקום. הניבוי הזה סוטה במקצת מהניבוי שנותן מודל למדא-CDM ובכך מאפשר הזדמנות לבדוק את המודל החדש הזה באופן ניסויי. "כיום הנתונים האסטרונומיים לא מספיק מדויקים כדי למדוד את הסטייה הזאת", אומר מייקל טה פרוכט, "אבל ההתקדמות הרבה שהושגה – לדוגמה, במדידה של גלי כבידה – נותנת לנו תקווה שזה ישתנה. ובנוסף, את הגרסה החדשה של פורמליזם מורי-צוונציג אפשר ליישם גם בבעיות אסטרופיזיות אחרות – כך שהעבודה רלבנטית לא רק לקוסמולוגיה".

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• היקום אינו מתפשט באופן אחיד
• מדידת התפשטות היקום: אי התאמות מפתיעות רומזות על חוסר עקביות בהרכב של היקום
• אנרגיה אפלה: מפה רומזת מה היא – אבל מעמיקה את המחלוקת על קצב התפשטות היקום
• קצב התפשטות היקום שנוי במחלוקת – וייתכן שנצטרך פיזיקה חדשה כדי לכמתוהאם גלי כבידה יוכלו להאיר על קצב התפשטות היקום?