מדידות מדויקות של קרינת הרקע הקוסמית חושפות פרטים חדשים על מבנה היקום

שני חלקי המאמר מובאים כאן: בלון הליום תחת לוויין ושובו של הקבוע הקוסמי

צמד החוקרים ארנו פנזיאס ורוברט וילסון. קרינה זו, המכונה קרינת רקע קוסמית, פוגעת בכדור הארץ כל הזמן. היא דומה לקרינה שמשמשת אותנו בתנורי המיקרוגל הביתיים, אלא שעוצמתה חלשה יותר והיא מגיעה מכל כיוון שאליו נתבונן בחלל; אי אפשר להצביע על מקור מסוים הפולט אותה.

בתמונה: הכדור הפורח של פרוייקט בומרנג על רקע קטע ממפה המתארת את עוצמת קרינת הרקע מכיוונים שונים בשמים

המשך המאמר:

פנזיאס ווילסון, עובדי ממעבדות בל של חברת הטלפונים T&AT בארה”ב, השתמשו באנטנת רדיו ענקית כדי לבדוק את עוצמת רעשי הרקע בתחום קרינת גלי המיקרו, במסגרת פרויקט לבחינת השימוש בלווייני תקשורת. התברר כי האנטנה קולטת רעש רקע קלוש ביותר שאי אפשר להצביע על מקורו. עוצמתו של הרעש לא היתה תלויה במקום שאליו כוונה האנטנה.

למרות מאמצים ממושכים, פנזיאס ווילסון לא הצליחו לאתר כל מקור לקרינה החלשה בציוד הקליטה, באנטנה או בסביבתה. שני החוקרים נאלצו איפה לקבוע כי הקרינה שמצאו מגיעה מהחלל. אולם מאיפה בחלל? מהו המקור האסטרונומי של הקרינה? על שאלות אלה לא היתה לשניים תשובה. בחיפושיהם אחרי הסבר הם נועצו עם קבוצת קוסמולוגים מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית. המסקנה של הקוסמולוגים היתה מפתיעה ביותר: מקור הקרינה שהתגלתה הוא בראשית היקום ממש – במפץ הגדול עצמו.

התיאוריה המקובלת כיום, לפיה היקום נוצר בפיצוץ בראשיתי עצום המכונה “המפץ הגדול”, מנבאת את קיומה של קרינת רקע זהה לזו שהתגלתה. היתה זו תגלית מדהימה שזיכתה את פנזיאס ווילסון בפרס נובל בפיסיקה. פרויקט התקשורת שעליו עבדו במקור נחל אף הוא הצלחה: גלי מיקרו משמשים כיום אמצעי עיקרי לקשר עם לווייני תקשורת בחלל.

המחקר של קרינת הרקע הקוסמית המשיך להניב פירות מדעיים מסעירים גם בשנות השמונים והתשעים. התברר כי קרינה זו אחידה מאוד: עוצמתה זהה בכל כיוון. תכונה זו משקפת את תכונותיו של החומר הקדמוני זמן קצר לאחר המפץ הגדול: נראה כי החומר היה אחיד מאוד, בעל תכונות כמעט זהות בכל מקום. אולם העולם שבו אנו חיים כיום אינו אחיד כלל: כוכבים וגלקסיות מייצגים אזורים שבהם צפיפות החומר גדולה מאוד, וביניהם מפרידים חללים ריקים שבהם כמעט שאין חומר.

ההבדלים בצפיפות כיום חייבים לנבוע משינויים קטנים בצפיפות החומר הקדמוני. שינויים אלה אמורים להשתקף בקרינת הרקע. לפיכך הניחו החוקרים כי חייבים להיות הבדלים, ולו גם קטנים, בין קרינת הרקע שמגיעה מכיוונים שונים. אם לא יימצאו שינויים כאלה, תורת המפץ הגדול תימצא בבעיה קשה. כדי למדוד את קרינת הרקע בדיוק רב שיגרה נאס”א ב-1989 את הלווין COBE. תצפיותיו של לוויין זה, ובפרט גילויה של אי אחידות זעירה בקרינת הרקע, באופן התואם את הניבויים של תורת המפץ הגדול, נחשבות לאחד ההישגים המדעיים החשובים של סוף המאה.

וזה לא המידע היחיד שאפשר לדלות מקרינת הרקע. מדענים חישבו כי מדידה מדויקת של שיעור השינוי האופייני של עוצמת הקרינה בין נקודות הנראות לצופה מכדור הארץ כסמוכות זו לזו בחלל עשוי ללמד על דברים רבים נוספים. למעשה, אם מקבלים את ההנחות המקובלות על רוב הקוסמולוגים, אפשר להסיק מקרינת הרקע כמעט את כל הפרטים על מבנה היקום: צפיפות החומר והאנרגיה הממוצעת בו, הרכב החומר האופייני לו, קצב התפשטותו וצורתו הגיאומטרית. הלוויין COBE לא היה מצויד במכשירים מדויקים דיים למדידות כאלה. אולם שיפורים טכנולוגיים שנעשו מאז שיגורו מאפשרים כיום למדוד את התפלגות הקרינה המגיעה מהחלל בדיוק גדול פי עשרה ויותר.

שתי קבוצות של חוקרים פירסמו באחרונה תוצאות חדשות המתבססות על מדידות של קרינת הרקע הקוסמית בעזרת גלאים חדשים ומשופרים שהותקנו בבלונים פורחים. האטמוספירה של כדור הארץ מכילה כמויות גדולות של אדי מים וחומרים נוספים ההופכים אותה לכמעט אטומה לגלי מיקרו. זו הסיבה שמדידות מדויקות של קרינת הרקע בגלי מיקרו התבצעו רק לאחר שיגורו של הלוויין COBE אל מחוץ לאטמוספירה. שיגור לווייני מחקר כרוך בהשקעה כספית גדולה ובהמתנה של שנים ארוכות בתור לשיגור על ידי נאס”א. לכן שבו החוקרים לשיטות שפותחו עוד לפני שיגורו של COBE: שיגור הציוד המדעי באמצעות בלונים ממולאים בהליום. הבלון עולה לשכבות העליונות ביותר של האטמוספירה, מעל לשכבות המפריעות ביותר לתצפיות בגלי מיקרו.

קבוצת מחקר בינלאומית, המכונה “פרויקט בומרנג”, שיגרה בלון לחקר קרינת הרקע הקוסמית מבסיס של צבא ארצות הברית בקוטב הדרומי. שני יתרונות עיקריים הניעו את אנשי הקבוצה להרחיק עד לאנטארקטיקה. הראשון הוא האטמוספירה היבשה מעל הקוטב, שבה יש מעט מאוד אדי מים. היתרון השני הוא הרוח הנושבת באזור הקוטב. תקופות ממושכות בשנה נושבת שם רוח שכיוונה מעגלי. בעזרתה, הבלון המשוחרר מעל בסיס השיגור נישא סביב הקוטב ונוחת, לאחר כשבועיים, כמעט באותו מקום שממנו שוגר. השהות הממושכת של הבלון באוויר איפשרה לאנשי “בומרנג” להגיע למדידות הנחשבות למדויקות ביותר שנמדדו עד היום של קרינת הרקע.

קבוצת מחקר אחרת, “פרויקט מקסימה”, שאחד החוקרים הבכירים בה הוא הישראלי שאול חנני, העדיפה להתרכז בפיתוח נוסף של טכנולוגיית הגלאים. המערכת שלהם, המותקנת על גבי בלון, שוגרה מהעיירה פלסטיין בטקסס. משקלו של בלון המקסימה יכול להגיע ליותר מטונה. מפגש בינו לבין בן אדם עלול להיגמר באסון. מכיוון שאי אפשר לנבא את מקום הנחיתה המדויק של הבלון, נדרשו החוקרים לבצע חישובים סטטיסטיים ולקבוע מהם הסיכויים שהבלון ייפול חלילה במקום יישוב. בסופו של דבר טיסת הבלון היתה באזור מבודד, שבו הסיכוי שיפגע באדם הוא פחות מאחד למיליון. החוקרים מכנים אזורים אלה One MicroDeath Areas.

בלון המקסימה סיפק מדידות שרמתן דומה לאלה של פרויקט “בומרנג”. ניתוח התוצאות של שני הפרויקטים פורסם בחודשים האחרונים. מתברר כי מהמדידות אכן אפשר ללמוד על תכונותיו היסודיות ביותר של היקום.

{הופיע בעיתון הארץ, 28/8/2000}

חלק ב': הקרינה הקוסמית, הקבוע הקוסמולוגי והמודל האינפלציוני של היקום

התצפיות של קבוצות המחקר “בומרנג” ו”מקסימה”, שנעשו באמצעות בלוני הליום, מאשרות את ניבוייה של תורה קוסמולוגית פופולרית המבוססת על הנחת המפץ הגדול, ומכונה “המודל האינפלציוני”. המודל הקוסמולוגי המקובל כיום גורס כי היקום נוצר בהתפוצצות ראשונית, “המפץ הגדול”, ומאז הוא מתפשט והולך. מודל זה של היקום נסמך על תצפיות רבות, ובראשן מדידות המראות כי הגלקסיות ביקום מתרחקות זו מזו – כלומר, היקום כיום מתפשט והולך.

הראשון שהצביע על תופעה זו היה האסטרונום האמריקאי הנודע אדווין האבל. במשך השנים הצביעו חוקרים רבים על פרדוקסים ובעיות שונות הקיימות במודל בצורתו הפשוטה. בשנות השמונים הציע הפיסיקאי האמריקאי אלן גות פתרון אלגנטי לרבות מבעיות אלה, שלפיו קצב התפשטותו של היקום מיד לאחר היווצרו מהיר פי 10 בחזקת 40 ממה שמציעה תיאוריית המפץ הגדול. תהליך ההתפשטות המהיר כונה “תפיחה” (אינפלציה), והמודל המתבסס על תהליך זה מכונה “המודל האינפלציוני של היקום”.

אם המודל האינפלציוני הזה נכון, על הצפיפות הממוצעת של סך כל החומר והאנרגיה ביקום להיות שווה לערך קריטי מסוים, הנובע מפתרון משוואות היחסות הכללית של איינשטיין עבור היקום כולו. בעת שהוצע המודל לראשונה, היה ידוע כי סך כל החומר הרגיל (כלומר חלקיקים כמו אטומים, פרוטונים ואלקטרונים) ושל האנרגיה המוכרת לנו (למשל, קרינת אור) אינו מספיק על מנת להגיע לערך הקריטי הנדרש. ההנחה היתה כי קיים “חומר אפל”, אשר יחד עם החומר הרגיל יביא את הצפיפות הממוצעת לערך הקריטי הנדרש.

החומר האפל הוא חומר שתכונותיו שונות מהחומר המוכר לנו בכך שהוא אינו פולט כלל קרינה אלקטרומגנטית (כמו אור). אולם אפשר להבחין בו בעזרת השפעת כוח הכבידה שלו על הסביבה, ועובדת קיומו מתבססת על תצפיות אסטרונומיות שונות. בשנים האחרונות התברר כי גם לאחר הוספת כל כמות החומר האפל הנדרש להסביר את התצפיות האסטרונומיות השונות, הצפיפות הממוצעת של היקום מגיעה לכל היותר לכדי שליש מהצפיפות הקריטית הנדרשת לקיום האינפלציה.

שתי דרכים הוצעו כדי להתגבר על בעיה זו במודל. הראשונה היא הצגת מודל אינפלציוני שאינו דורש כי הצפיפות תגיע לצפיפות הקריטית. מודל כזה הוצע על ידי הפיסיקאי הבריטי הנודע סטיוון הוקינג, אולם עורר ביקורת רבה בקרב תיאורטיקנים אחרים מכיוון שהיה מאולץ מאוד, מסובך ונבנה במיוחד כדי להתאים לסט של תצפיות שהיה ידוע מראש.

דרך שנייה ליישב את בעיית הצפיפות הממוצעת של המודל האינפלציוני היא להניח כי קיים מרכיב נוסף, מלבד חומר ואנרגיה רגילים והחומר האפל, התורם לצפיפות. מועמד כזה היה ידוע זה כבר: צפיפות אנרגיה הנובעת מקיומו של “קבוע קוסמולוגי”. הקבוע הקוסמולוגי עלה על בימת היסטוריה מיד אחרי פרסום תורת היחסות הכללית על ידי איינשטיין. התברר אז, כי פתרון משוואות איינשטיין לגבי כל היקום מראה כי היקום אינו יכול להיות יציב; שהוא חייב להתפשט או להתכווץ. איינשטיין, שהאמין כי היקום אינו מתפשט, הוסיף איבר קבוע למשוואותיו, המייצג צפיפות אנרגיה אחידה במרחב וקבועה בזמן. איבר נוסף זה כונה “הקבוע הקוסמולוגי”. מדוע היה צורך בקבוע הקוסמולוגי? במשוואה המקורית של איינשטיין הופיע איבר המייצג את צפיפות החומר והאנרגיה ביקום, אשר יוצרים את כוח המשיכה הקיים בין כל שני גופים. הקבוע הקוסמולוגי ייצג צפיפות אנרגיה הגורמת לנוכחות של מעין “כוח דחייה” המאזן את כוח המשיכה. איינשטיין חשב כי תוספת זו תביא לכך שמשוואותיו יתארו יקום יציב.

זמן קצר לאחר מכן, ב-1929, פירסם אדווין האבל את תצפיותיו לפיהן היקום מתפשט. תצפיות אלה גרמו לאיינשטיין להכיר בכך ששגה; הוא אף כינה את הקבוע הקוסמולוגי “השגיאה הגדולה של חיי”. בדיעבד התברר כי גם בנוכחות הקבוע הקוסמולוגי היקום אינו יציב, כך שהטעם להוספתו מתבטל מלכתחילה. אולם משיצא הקבוע הקוסמולוגי לאוויר העולם, לא היה אפשר עוד להעלימו, והוא שב וצץ מדי פעם בפעם מטעמים שונים.

כאשר התברר כי אין די בצורות החומר והאנרגיה הרגילות (כולל החומר האפל) כדי להגיע לערך הקריטי המאפשר אינפלציה, הועלתה האפשרות כי האנרגיה החסרה היא זו שמגולמת בקבוע הקוסמולוגי. עד לפני כשנתיים התקיימו שני המודלים זה בצד זה: המודל שלפיו אין קבוע קוסמולוגי, הצפיפות הממוצעת קטנה מהצפיפות הקריטית ומודל האינפלציה הפשוט אינו מתקיים, והמודל שלפיו הקבוע הקוסמולוגי משלים את האנרגיה החסרה לערך הקריטי, ומודל האינפלציה תקף.

במאמר שהוצג באחרונה מנתחים חוקרי קרינת הרקע במשולב את תוצאותיהם של שני הפרויקטים החדשים “בומרנג” ו”מקסימה”. החוקרים השוו את ההתפלגות המדויקת של עוצמת קרינת הרקע על פני השמים עם ההתפלגות שהיתה צפויה לפי מודלים קוסמולוגיים שונים. במפות החדשות והמדויקות של קרינת הרקע טמון מידע כה רב, עד כי אפשר לשלול בעזרתם את רוב המודלים שנבחנו, ולהסיק מכך מסקנות לגבי תכונותיו הפיסיקליות של היקום.

התוצאות העיקריות מניסויים אלה הן שלוש: 1. התפלגות קרינת הרקע מתאימה לניבויים של המודל האינפלציוני; 2. הצפיפות הממוצעת של חומר ואנרגיה ביקום שווה בקירוב לצפיפות הקריטית; 3. הצפיפות הממוצעת של חומר רגיל (כלומר, כזה המורכב מחלקיקים המוכרים לנו, כמו פרוטונים, אלקטרונים ואטומים, בניגוד ל”חומר האפל”) קטנה מאוד: רק כשלושה אחוזים מהצפיפות הקריטית. משתמע מכך כי מרבית החומר והאנרגיה ביקום מסתתרים מעינינו בצורות שאינן ברורות לנו די צורכן: החומר האפל והאנרגיה הגלומה ב”קבוע הקוסמולוגי”.

אולם מדידות קרינת הרקע של הפרויקטים הנישאים על ידי בלונים לא היו מדויקות דיין כדי למצות את כל המידע האצור בקרינת הרקע. כמו כן, קיימות סתירות מסוימות בחלק מהמדידות של שני הפרויקטים. נראה כי ההבנה הסופית של המידע הגלום בקרינת הרקע לגבי היקום ייאלץ להמתין עד לתוצאות של מדידות נוספות, מדויקות אף יותר, העתידות להתבצע על ידי שני לוויינים: MAP, שאמור להיות משוגר בשנה הבאה על ידי נאס”א, ו-Planck, שאמור להיות משוגר על ידי סוכנות החלל האירופית בעוד כחמש שנים.
{הופיע בעיתון הארץ, 29/8/2000}