טלסקופי ווב והאבל מאשרים את קצב התפשטות היקום, החידה נשארת

מדידות של ווב מספקות אור חדש על תעלומה שנמשכת עשור והמכונה מתח האבל – ההבדלים בגיל היקום בין תצפיות האבל לתצפיות עבר שנותרו בלתי מוסברים * פרופ’ אדם ריס, זוכה פרס נובל לפיזיקה על גילוי האנרגיה האפלה עומד בראש הפרויקט

קצב התפשטות היקום, הידוע כקבוע האבל, הוא אחד מהפרמטרים היסודיים להבנת התפתחותו וגורלו הסופי של היקום. עם זאת, נמצא הבדל עקבי, הקרוי “מתח האבל”, בין ערך הקבוע כפי שנמדד באמצעות מגוון רחב של טווחי מרחק עצמאיים, לערכו המוערך מהזרחה שלאחר המפץ הגדול. טלסקופ החלל ג’יימס ווב של ה-NASA/ESA/CSA אישש כי טלסקופ החלל האבל צדק לאורך כל הדרך, ומחק כל ספק שנותר לגבי מדידותיו.

אחת ההצדקות המדעיות לבניית טלסקופ החלל האבל הייתה להשתמש בכוח התצפיתי שלו כדי לספק ערך מדויק לקצב התפשטות היקום. לפני שיגור האבל בשנת 1990, תצפיות מטלסקופים קרקעיים נתנו טווחי תוחלת רחבים ביותר. בהתאם לערכים שהוסקו עבור קצב ההתפשטות, היקום יכול היה להיות בגיל שבין 10 ל-20 מיליארד שנה. במהלך 34 השנים האחרונות, האבל הצמצם את טווח זה לדיוק של פחות מאחוז אחד, וקבע את גיל היקום ב-13.8 מיליארד שנה. זה הושג באמצעות שיפור של מה שנקרא ‘סולם המרחק הקוסמי’ על ידי מדידת סוג של כוכבים הידועים בשם קפאידים משתנים.

עם זאת, הערך שנמדד על ידי טלסקופ החלל האבל לא התיישב עם מדידות אחרות המרמזות על כך שהיקום התפשט מהר יותר לאחר המפץ הגדול. את התצפיות הללו ביצע לוויין פלאנק של ה-ESA באמצעות מיפוי קרינת רקע המיקרוגל הקוסמית – המהווה סמן לכיצד היקום היה אמור להתפתח לאחר שהתקרר מהמפץ הגדול.

הפתרון הפשוט לבעיה יכול היה להיות להניח שאולי התצפיות של האבל היו שגויות, כתוצאה מחוסר דיוק שנכנס לתוך מדידות הגופים בחלל העמוק. אז הגיע טלסקופ החלל ג’יימס ווב, מאפשר לאסטרונומים לבדוק מחדש את תוצאות האבל. התצפיות בתת-אדום של ווב הסכימו עם נתוני האור הנראה של האבל.

בסופו של דבר, “מתח האבל” בין מה שקורה ביקום הקרוב לעומת התפשטות היקום בתחילתו נשאר חידה מטרידה עבור הקוסמולוגים. ייתכן שקיים מרכיב במארג החלל שאנו עדיין לא מבינים.

האם פתרון הפער דורש פיזיקה חדשה, או שהוא תוצאה של שגיאות במדידה בין שתי השיטות השונות לקבוע את קצב התפשטות החלל?

תצפיות משולבות של ווב והאבל

ווב והאבל כעת פעלו בשיתוף פעולה כדי לייצר מדידות מוחלטות, ומחזקים את העניין שמשהו אחר – ולא שגיאות מדידה – משפיע על קצב ההתפשטות.

“כאשר שגיאות המדידה מוסרות מהמשוואה, מה שנשאר הוא האפשרות האמיתית והמרגשת שאנו לא מבינים את היקום,” אמר אדם ריס, פיזיקאי באוניברסיטת ג’ונס הופקינס בבולטימור. ריס מחזיק בפרס נובל על גילוי משותף שהתפשטות היקום מאיצה, בזכות תופעה שנקראת כיום ‘אנרגיה אפלה’.

כבדיקה משנית, תצפית ראשונית של ווב ב-2023 אישרה שמדידות האבל של היקום המתרחב היו נכונות. עם זאת, בניסיון לפתור את “מתח האבל”, תהו כמה מהמדענים אם שגיאות בלתי נראות במדידה עשויות להתגבר ולהופיע ככל שאנו מתעמקים בחקר היקום. בפרט, צפיפות כוכבים עשויה להשפיע על מדידות בהירות של כוכבים יותר רחוקים באופן מערכתי.

הצוות SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), בראשות ריס, ביצע תצפיות נוספות עם ווב של אובייקטים שהם נקודות דמיון קוסמיות קריטיות, הידועים כקפאידים משתנים, שכעת ניתן להשוות עם נתוני האבל.

“אנחנו כעת כיסינו את כל הטווח שבו האבל צפה, ואנו יכולים לשלול שגיאת מדידה כסיבה למתח האבל בביטחון גבוה מאוד,” אמר ריס.

התצפיות הראשונות של ווב ב-2023 היו מוצלחות בהראות שהאבל היה על הנתיב הנכון בהקמה אמינה של השלבים הראשונים של מה שנקרא ‘סולם המרחק הקוסמי’.

אסטרונומים משתמשים בשיטות שונות למדוד מרחקים יחסיים ביקום, בהתאם לאובייקט שנצפה. כוללות את הטכניקות הללו המוכרות כ’סולם המרחק הקוסמי’ – כל שלב או טכניקת מדידה תלויה בשלב הקודם לברור.

כמה חוקרים הציעו כי, כאשר ממשיכים הלאה לאורך ‘השלב השני’, סולם המרחק הקוסמי עשוי להיות פחות מדויק אם מדידות הקפאידים הופכות לפחות מדויקות עם המרחק. חוסר דיוקים כאלה יכולים להתרחש מפני שאורו של קפאיד יכול להתערבב עם זה של כוכב שכן, אפקט שיכול להיות יותר מובהק עם המרחק בכך שהכוכבים מתקבצים יותר זה לזה בשמים ונהיה קשה יותר להבחין ביניהם.

האתגר התצפיתי הוא שתמונות קודמות של האבל של כוכבי קפאידים מרוחקים יותר נראות יותר מצופפות ומעורבות עם כוכבים שכנים במרחקים גדולים יותר בינינו לבין הגלקסיות המארחות שלהם, דבר שדורש חשבון מדוקדק לאפקט זה. אבק הנמצא בדרך יכול לסבך עוד יותר את הביטחון במדידות באור נראה. ווב נותן מענה לכך כי הוא חותך את האבק ובאופן טבעי מבודד את הקפאידים מכוכבים שכנים מכיוון שהראייה שלו חדה יותר מהאבל באורכי גל תת-אדום.

“שילוב של ווב והאבל מספק לנו את הטוב משני העולמות. אנו מגלים שהמדידות של האבל נותרות אמינות ככל שאנו מתקדמים יותר בסולם המרחק הקוסמי,” אמר ריס.

התצפיות החדשות של ווב כללו חמש גלקסיות אירוח של שמונה סופרנובות מסוג Ia המכילות סך הכול 1,000 קפאידים, והגיעו לגלקסיה הרחוקה ביותר שבה נעשו מדידות מהימנות של קפאידים – NGC 5468, במרחק של 130 מיליון שנות אור. “כך כיסינו את כל הטווח שבו ביצענו מדידות עם האבל. אולם, הגענו לסוף השלב השני של סולם המרחק הקוסמי,” אמר המחבר המשותף גגאנדיפ אננד ממכון טלסקופ החלל בבולטימור, שמפעיל את טלסקופי ווב והאבל בשם ה-NASA.

יחד, אישורו של ווב והאבל למתח האבל מסדיר את הדרך למצפים אחרים להתמודד אולי עם החידה, כולל טלסקופ החלל ננסי גרייס רומן הקרוב של NASA ומשימת אוקליד ששוגרה לאחרונה של ה-ESA.

כרגע זה כאילו סולם המרחק שהאבל ווב צפו בו הוא נקודת עגינה בצד אחד של נהר, והזרחה שלאחר המפץ הגדול שצפה פלאנק מתחילת היקום מעוגנת באופן ברור בצד השני. השאלה איך היקום השתנה במהלך המיליארדים של שנים בין שני הנקודות הללו עדיין לא נצפתה באופן ישיר. “אנו צריכים לברר אם אנחנו מפספסים משהו בכיצד לחבר בין תחילת היקום ליום הזה,” אמר ריס.

הממצאים האלו פורסמו בגיליון מ-6 בפברואר 2024 של The Astrophysical Journal Letters.

עוד בנושא באתר הידען:

• עתיד מלא חששות ותקוות
• טלסקופ החלל ‘ווב’ גילה גלקסיות במרחק 33 מיליארד שנות אור שמאתגרות תיאוריות אסטרונומיות
• “תופעת האצת התפשטות היקום היא תופעה שהיא נצפית וכולם משוכנעים עכשיו שהיא אמיתית אבל אף אחד לא מבין אותה”
• פרופ’ מריו ליביו: לאדם ריס יש סיכוי לנובל שני * גאה בהישג של דן שכטמן
• טלסקופ החלל ווב מציץ לתוך כאוס – לוכד התעמלות כוכבית בגלקסיית הגלגל