חוקרים הצליחו למדוד את טמפרטורת הקרינה הקוסמית בזמן שהיקום היה צעיר

VLT (Very Large Telescope) – מערך של ארבעה טלסקופים המוצבים על אחת מפסגות הרי האנדים בצ'ילה והמהווים יחדיו את הטלסקופ הגדול בעולם. בעזרתו הצליחו החוקרים למדוד את טמפרטורת הקרינה הקוסמית לפני יותר מ-10 מיליארד שנה 

 
 מאת: אבישי גל-ים 
 על פי התיאוריה המקובלת כיום על רובם המכריע של העוסקים בקוסמולוגיה, ראשיתו של היקום בפיצוץ קוסמי אדיר המכונה “המפץ הגדול”. מיד לאחר היווצרו היו ממדי היקום קטנים לאין שיעור, וכל החומר הקיים היה שרוי בתנאים של צפיפות עצומה וחום גבוה ביותר. מאז המפץ הגדול ועד ימינו הולך היקום ומתפשט, בעוד שהטמפרטורה והצפיפות של החומר הולכות ופוחתות בהתמדה.

תורת המפץ הגדול פותחה במחצית המאה העשרים על ידי קבוצת חוקרים בהנהגתו של הקוסמולוג הרוסי-האמריקאי ג'ורג' גאמוב, והיא מסבירה תצפיות יסוד רבות באסטרונומיה – בראש ובראשונה את העובדה שהיקום מתפשט, תגלית של האסטרונום האמריקאי הדגול אדווין האבל מ-1929. גאמוב ועמיתיו ניבאו, בין השאר, כי אם אכן התרחש “מפץ גדול”, הוא היה אמור להותיר אחריו שריד בצורת קרינה אלקטרו-מגנטית קוסמית, שעוצמתה אמורה להיות אחידה בקירוב בכל מקום ביקום. אולם רק כעשרים שנה מאוחר יותר, בשנת 1964, התגלתה קרינת הרקע הקוסמית, בדרך מקרה, על ידי שני חוקרים ממעבדות בל בארצות הברית, ארנו פנזיאס ורוברט וילסון.

אם מקורה של קרינת הרקע הקוסמית אכן במפץ הגדול, התיאוריה צופה כי קרינה זו היתה אנרגטית ביותר זמן קצר לאחר המפץ הגדול ושהיא הולכת ודועכת עם התפשטות היקום. אחת הצורות שבהן אפשר לאפיין את תכונותיה של קרינת הרקע היא באמצעות הטמפרטורה שלה. גופים חמים פולטים קרינה שמאפייניה תלויים בטמפרטורה שלהם. ברזל מלובן, למשל, פולט אור לבן-צהוב כאשר הוא חם מאוד. ככל שהברזל מתקרר, נהפך האור הנפלט ממנו לאדום יותר. מכיוון שלפי התיאוריה קרינת הרקע היתה אנרגטית מאוד לאחר המפץ הגדול והיא הולכת ודועכת, נהוג לחשוב שטמפרטורת קרינת הרקע היתה גבוהה מאוד מיד אחרי למפץ הגדול ושהיא הולכת ויורדת מאז. מדידות מדויקות ביותר שביצע הלוויין COBE, ששוגר על ידי נאס”א בשנת 1989, קבעו כי טמפרטורת קרינת הרקע כיום היא מינוס 270 מעלות צלסיוס לערך, או 2.73 מעלות מעל האפס המוחלט.

תכונותיה של קרינת הרקע הקוסמית, כפי שנמדדו בשנים האחרונות, מתאימות לניבוי של תורת המפץ הגדול. אולם תורת המפץ הגדול מנבאת גם כי קרינה זו היתה חמה יותר בעבר. האם אפשר לבדוק זאת? לכאורה, זהו רעיון אבסורדי, שהרי כדי למדוד את טמפרטורת קרינת הרקע בעבר צריך לחזור אחורה בזמן. אלא שבמאמר המתפרסם היום בכתב העת “Nature” מציגה קבוצת חוקרים בראשותו של האסטרונום ר' סריאנאנד מאוניברסיטת פונה שבהודו, מדידה של טמפרטורת קרינת הרקע בעבר, שאותה ביצעו בלי שיצאו למסע בזמן.

המדענים עשו שימוש בגלאי חדיש שהותקן לפני זמן לא רב בטלסקופ הגדול בעולם כיום, המכונה VLT (Telescope Very Large). VLT הוא מערך של ארבעה טלסקופים גדולים (קוטר המראה הראשית בכל אחת מן היחידות הוא כ-8 מטרים), המוצבים על אחת מפסגות הרי האנדים בצ'ילה ומופעלים על ידי מצפה הכוכבים האירופי, ESO. איכותו ועוצמתו של ה-VLT איפשרו לחוקרים למדוד בדיוק חסר תקדים את מאפייני האור המגיע אלינו מענן מרוחק של גז קר. ענן זה נמצא במרחק כה גדול מכדור הארץ, עד שלאור הנפלט ממנו נדרשות יותר מעשרה מיליארד שנים להגיע אליו. משמעות הדבר היא כי התצפיות שאנו עורכים כיום משקפות את התנאים בענן הגז כפי שהיו לפני יותר מעשרה מיליארד שנים.

האסטרונומים מדדו בדיוק רב את האור הנפלט מאטומים ומולקולות מסוגים שונים הנמצאים בענן הגז המרוחק, והסיקו מכך מה היו התנאים הפיסיקליים ששררו בענן. המידע הרב שאפשר להפיק ממדידה של האור הנפלט מאטומים ומולקולות איפשר לחוקרים להפריד בין ההשפעות של תהליכים שונים המשפיעים על אטומי הגז – התנגשויות עם חלקיקים אחרים, קרינה אולטרה-סגולה מסביבתו הקרובה של הגז, וקרינת הרקע הקוסמית. מאחר שעלה בידם לבודד את השפעתה של קרינת הרקע הקוסמית, הצליחו החוקרים למדוד לראשונה את הטמפרטורה של קרינה זו כפי שהיתה לפני יותר מעשרה מיליארד שנים, בעת שהאור שנקלט בטלסקופ החל את מסעו הממושך ברחבי היקום.

הטמפרטורה שמדדו החוקרים היא בין 6 ל-14 מעלות מעל האפס המוחלט: לפחות כפליים מטמפרטורת קרינת הרקע כיום. לראשונה הוכח באופן ישיר כי קרינת הרקע הקוסמית היתה חמה יותר בעבר, והטמפרטורה שנמדדה מתאימה לתחזיות של תורת המפץ הגדול המקובלת. תוצאות אלה הן חיזוק משמעותי נוסף להוכחות הניסיוניות לתורת המפץ הגדול, והן מציבות אתגר קשה לתורות קוסמולוגיות אלטרנטיוויות.

בהקשר זה מעניין לציין כי בשיטה שבה השתמשו סריאנאנד וצוותו כדי למדוד את האור הנפלט מענן גז מרוחק מאוד, אפשר להשתמש גם כדי למדוד את אורם של ענני גז קרובים בהרבה, הנמצאים בגלקסיה שלנו. תצפיות כאלה מאפשרות להבחין בקיומה של קרינת הרקע הקוסמית ולמדוד את הטמפרטורה שלה כיום. מתברר כי תצפיות כאלו אכן בוצעו לפני כ-60 שנה. החוקרים שעשו אותן גילו למעשה את קרינת הרקע הקוסמית ומדדו את הטמפרטורה שלה, 24 שנים לפני גילויה על ידי פנזיאס ווילסון ושמונה שנים לפני שקיומה נחזה על ידי גאמוב. אולם אף על פי שהחוקרים ניתחו כהלכה את הנתונים והסיקו כי קיים מקור קרינה לא ידוע המשפיע על ענני גז בגלקסיה, הם לא הבינו את ההשלכות מרחיקות הלכת של תוצאותיהם, לא בעת פרסומן וגם לא לאחר פרסום תורת המפץ הגדול על ידי גאמוב. בכך החמיצו את אחת התגליות המרעישות באסטרונומיה; תגלית שזיכתה, שלושים שנה מאוחר יותר, את פנזיאס ווילסון בפרס נובל.
{הופיע בעיתון הארץ, 20/12/2000}
 
 

הדאוטריום הבין כוכבי סיפק אישוש לתאורית המפץ הגדול
 
 
 איזוטופ מסוים של דאוטריום היה חייב להיווצר במפץ הגדול ולא בתוך הכוכבים
 
6.7.2000
 
מאת: דוד יששכרי, מנהל פורום המדע בוואלה
  

עוד ראיה לאישוש תאוריית ה”מפץ הגדול”, נמצאה באמצעות מדידה חדשה של דאוטריום האיזוטופ הנפוץ יחסית של מימן המכיל פרוטון אחד וניוטרון אחד, הכמות הנמדדת מתאימה ל”מודל קדמוני” דהיינו במפץ הגדול (מ”ג), ולא בגלקסיות או בכוכבים, מאוחרים יחסית.
קבוצה של אסטרונומים בבריטניה השתמשה בטלסקופ רדיו של 12 מטר על מנת לסרוק ענן מולקולרי ענקי הנמצאה קרוב למרכז הגלקסיה שלנו “רק” 30 שנות אור, ממש קל”ב. באופן מיוחד הם התמקדו בספקטרום של ציאניד המימן HCN ובן זוגו האיזטופי ציאניד הדאוטריום . DCN באופן כללי כוכבים הם יצרנים של דאוטריום ולא יצרנים שלו, זאת מכוון שהדאוטריום ניצרך בתהליכי הפקת ההליום, המשחררים את האנרגיה של הכוכבים.
מרכז הגלקסיה הוא צומת של פעילות רוחשת. סילוני גז, התפרצויות, מקורות X ו- גאמא, חושחור מאסיבי, חוטים לוהטים, קשתות ועוד תופעות מרהיבות, היוצרות חומר.

מניתוח הספקטרום למדו החוקרים Don Lubowich, Jay Pasachoff, Tom Balonek, and Tom Millar כי היסוד H/D הוא גבוה ממה שנצפה בהעדר מקור ראשוני לחומר בלתי מעובד (גבוה ב- D נמוך באלמנטים כבדים יותר). עובדה זו מעידה כי חומר העשיר ב – D ממוטר מהענן לתוך מישור הגלקסיה (ראה הדגמה רצופה). עובדה זו מעידה, לדעת החוקרים, כי D אינו נוצר בכוכבים ולכן הוא
נוצר במ”ג.
כמו כן מקצב יצירת D בקווזרים והשוואתו לנמדד בענן, נראה כי הגלקסיה שלנו לא הכילה קוואזר לפחות כמליארד שנה, וכנראה לא 4 מליארד שנה.
המאמר המקורי:
(.Lubowich et al., Nature, 29 June
2000)