בדקנו את תורת הכבידה של איינשטיין בקנה מידה של היקום – הנה מה שמצאנו

חוקרים שבחנו האם תורת הכבידה של איינשטיין עובדת בקנה המידה הגדול ביותר האפשרי טוענים שיש סטיות שצריך לבדוק ולתקן בדומה לאלו שיש במרחקים קטנים שלהם ניתן מענה באמצעות תורת הקוונטים

מאת קאזויה קויאמה, פרופסור לקוסמולוגיה, אוניברסיטת פורטסמות’ ולבון פוגוסיאן, פרופסור לפיזיקה, אוניברסיטת סיימון פרייזר

לכל עצם ביקום יש כוח משיכה – וגם הוא מרגיש את זה. עם זאת, הכוח המשותף ביותר מבין כל הכוחות הבסיסיים הוא גם זה שמציב את האתגרים הגדולים ביותר בפני הפיזיקאים. תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין הצליחה להפליא לתאר את כוח המשיכה של כוכבים וכוכבי לכת, אך נראה שהיא אינה מיושמת באופן מושלם בכל קנה מידה.

תורת היחסות הכללית עברה שנים רבות של תצפיות ומדידות, החל ממדידת הסטת אור הכוכבים על-ידי השמש שגילה אדינגטון בשנת 1919 ועד לגילוי האחרון של גלי כבידה. עם זאת, פערים בהבנתנו מתחילים להופיע כאשר אנו מנסים ליישם אותה על מרחקים קטנים ביותר, שבהם פועלים חוקי מכניקת הקוונטים, או כאשר אנו מנסים לתאר את היקום כולו.

המחקר החדש שלנו, שפורסם בכתב העת Nature Astronomy, בחן את התיאוריה של איינשטיין בסדרי הגודל הגדולים ביותר. אנו מאמינים שהגישה שלנו עשויה יום אחד לעזור לפתור כמה מהתעלומות הגדולות ביותר בקוסמולוגיה, והתוצאות מרמזות כי ייתכן שיהיה צורך לשנות את תורת היחסות הכללית בקנה מידה זה.

מודל פגום?

תורת הקוונטים חוזה שהמרחב שלכאורה ריק  הוא למעשה עמוס באנרגיה. איננו מבחינים בנוכחותה מכיוון שהמכשירים שלנו יכולים למדוד רק שינויים באנרגיה ולא את הכמות הכוללת שלה.

עם זאת, לדברי איינשטיין, לאנרגיית הריק יש כוח משיכה הפוך או כוח דחיה – היא דוחפת את החלל הריק זה מזה. מעניין לציין כי בשנת 1998 התגלה כי התפשטות היקום אכן מואצת (תגלית שזכתה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2011). עם זאת, כמות אנרגיית הריק, או האנרגיה האפלה כפי שהיא נקראה, הדרושה כדי להסביר את התאוצה היא בסדרי גודל קטנים יותר ממה שתורת הקוונטים חוזה.

מכאן שהשאלה הגדולה, המכונה “בעיית הקבוע הקוסמולוגי הישנה”, היא האם אנרגיית הריק פועלת על כוח הכבידה ומשנה את קצב התפשטות היקום?

אם כן, אז מדוע כוח המשיכה שלה כל-כך חלש ממה שחזו? אם הריק אינו נמשך כלל, מה גורם לתאוצה הקוסמית?

איננו יודעים מהי אנרגיה אפלה, אך עלינו להניח שהיא קיימת כדי להסביר את התפשטות היקום. באופן דומה, עלינו גם להניח שיש סוג של נוכחות של חומר בלתי נראה, המכונה חומר אפל, כדי להסביר כיצד גלקסיות וצבירים התפתחו להיות כפי שאנו צופים בהם כיום.

הנחות אלה מוטמעות בתיאוריה הקוסמולוגית הסטנדרטית של מדענים, הנקראת ‘מודל החומר האפל הקר למבדה’ (LCDM) – המציע כי בקוסמוס יש 70% אנרגיה אפלה, 25% חומר אפל ו-5% חומר רגיל. ומודל זה הצליח באופן מפליא להתאים את כל הנתונים שנאספו על-ידי קוסמולוגים במהלך 20 השנים האחרונות.

אבל העובדה שרוב היקום מורכב מגורמים אפלים ומחומרים, שמקבלים ערכים מוזרים שאינם הגיוניים, גרמה לפיסיקאים רבים לתהות אם תורת הכבידה של איינשטיין זקוקה לשינוי כדי לתאר את היקום כולו.

שינוי כיוון חדש התגלה לפני מספר שנים כאשר התברר כי דרכים שונות למדידת קצב ההתפשטות הקוסמית, המכונה’ קבוע האבל’, נותנות תשובות שונות – בעיה הידועה בשם מתח האבל.

המחלוקת, או המתח, היא בין שני ערכים של קבוע האבל. האחד הוא המספר שנחזה על-ידי המודל הקוסמולוגי LCDM, אשר פותח כדי להתאים לאור שנותר מהמפץ הגדול (קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל). השני הוא קצב ההתפשטות הנמדד על-ידי תצפית בכוכבים מתפוצצים המכונים סופרנובות בגלקסיות רחוקות.

רעיונות תיאורטיים רבים הוצעו לדרכים לשינוי LCDM כדי להסביר את מתח האבל. ביניהן תיאוריות כבידה אלטרנטיביות.

מחפשים תשובות

אנו יכולים לתכנן מבחנים כדי לבדוק אם היקום מציית לחוקי התיאוריה של איינשטיין. תורת היחסות הכללית מתארת את כוח הכבידה כעיקול או עיקום של מרחב וזמן, תוך כיפוף המסלולים שלאורכם נעים האור והחומר. חשוב מכך, הוא מנבא כי המסלולים של קרני האור והחומר צריכים להתעקם על-ידי כוח הכבידה באותו אופן.

יחד עם צוות של קוסמולוגים, אנו מעמידים את חוקי היסוד של תורת היחסות הכללית למבחן. בחנו גם אם שינוי התיאוריה של איינשטיין יכול לעזור לפתור כמה מהבעיות הפתוחות של הקוסמולוגיה, כגון מתח האבל.

כדי לגלות אם תורת היחסות הכללית נכונה בקנה מידה גדול, יצאנו לדרך, לראשונה, לחקור בו-זמנית שלושה היבטים שלה: התפשטות היקום, השפעות הכבידה על האור והשפעות הכבידה על החומר.

באמצעות שיטה סטטיסטית הידועה בשם הסקה בייסיאנית, ובאמצעות ההיסטוריה הקוסמית, שחזרנו את כוח המשיכה של היקום במודל ממוחשב המבוסס על שלושת הפרמטרים הללו. אנו יכולים להעריך את הפרמטרים באמצעות נתוני הרקע הקוסמיים של המיקרוגל מהלוויין פלאנק, קטלוגים של סופרנובות וכן תצפיות על הצורות וההתפלגות של גלקסיות רחוקות על-ידי טלסקופי SDSS ו-DES. לאחר מכן השווינו את השחזור שלנו לחיזוי של מודל LCDM (למעשה המודל של איינשטיין).

מצאנו רמזים מעניינים לאי-התאמה אפשרית עם התחזית של איינשטיין, אם כי הם בעלי מובהקות סטטיסטית נמוכה למדי. משמעות הדבר היא שקיימת בכל זאת אפשרות שכוח הכבידה פועל באופן שונה בקנה מידה גדול, ושייתכן שיהיה צורך לשנות את תורת היחסות הכללית.

המחקר שלנו מצא גם שקשה מאוד לפתור את בעיית המתח של האבל רק על-ידי שינוי התיאוריה של כוח הכבידה. הפתרון המלא ידרוש ככל הנראה מרכיב חדש במודל הקוסמולוגי, שהיה קיים לפני הזמן שבו פרוטונים ואלקטרונים התאחדו לראשונה ליצירת מימן מיד לאחר המפץ הגדול, כגון צורה מיוחדת של חומר אפל, סוג מוקדם של אנרגיה אפלה או שדות מגנטיים ראשוניים. או, אולי, יש טעות שיטתית שעדיין לא ידועה בנתונים.

עם זאת, המחקר שלנו הראה כי ניתן לבחון את תקפותה של תורת היחסות הכללית על-פני מרחקים קוסמולוגיים באמצעות נתונים תצפיתיים. אמנם עדיין לא פתרנו את בעיית האבל, אבל יהיו לנו הרבה יותר נתונים מגשושיות חדשות בעוד כמה שנים.

משמעות הדבר היא שנוכל להשתמש בשיטות סטטיסטיות אלה כדי להמשיך לשנות את תורת היחסות הכללית, לחקור את גבולות השינויים, כדי לסלול את הדרך לפתרון חלק מהאתגרים הפתוחים בקוסמולוגיה.

למאמר ב-The Conversation

עוד בנושא באתר הידען:

• מהם גלי כבידה?
• גילוי החומר האפל: רמז חדש מעננים מסתוריים סביב חורים שחורים מסתחררים
• חצי הכדור הצפוני יוכל לצפות בפיצוץ קוסמי
• שיא חדש במדידת שדה כבידה אולטרא-חלש
• שני אירועי גלי כבידה בתוך 10 ימים: התגלו חורים שחורים שאוכלים כוכבי נייטרונים – “כמו פק-מן”