מדידות חדשות המשתמשות בעדשות כבידה מצביעות על כך שקצב ההתפשטות הנוכחי של היקום אינו תואם את האותות מהיקום המוקדם
קוסמולוגים ניצבים בפני בעיה מרכזית ובלתי פתורה: המהירות הנמדדת שבה התפשט היקום אינה תואמת בשיטות שונות, ופתרון קונפליקט זה עשוי לחשוף פיזיקה חדשה. כדי להימנע משגיאות נסתרות במדידות מסורתיות המסתמכות על סופרנובות וסמני מרחק אחרים, אסטרונומים ממשיכים לחפש טכניקות חלופיות.
בעבודה שנערכה לאחרונה, חוקרים, כולל צוות מאוניברסיטת טוקיו, בחנו את התפשטות היקום באמצעות יישום אסטרטגיות תצפית חדשות ונתונים מטלסקופים מתקדמים. גישתם מסתמכת על העובדה שאור מעצמים רחוקים ביותר יכול להגיע לכדור הארץ בכמה מסלולים. לימוד ההבדלים בין מסלולים אלה עוזר למדענים לחדד מודלים בקנה מידה גדול של התנהגות וצמיחה היקום.
מדידת התפשטות החלל
אנו יודעים שהיקום עצום ועדיין מתרחב, גם אם גודלו המלא נותר לא ודאי. ניתן להעריך את קצב התפשטותו, אם כי התהליך אינו פשוט. ככל שאסטרונומים מסתכלים רחוק יותר, כך נראה שעצמים רחוקים מתרחקים מהר יותר.
עבור כל 3.3 מיליון שנות אור (או מגה-פארסקה אחת) מכדור הארץ, עצמים במרחק זה נראים כמתרחקים במהירות של כ-73 קילומטרים לשנייה. קצב זה של 73 קילומטרים לשנייה למגה-פארסקה (ק"מ/שנייה/מ"ק) ידוע כקבוע האבל.
סולמות מרחק מסורתיים וטכניקה חדשה
אסטרונומים הסתמכו על מספר גישות לחישוב קבוע האבל, אך כולן עד כה הסתמכו על מה שמכונה סולמות מרחק. סולמות אלה בנויים מעצמים מוכרים כמו סופרנובות וכוכבים משתנים קפאידים, הנחשבים עקביים מספיק בגלקסיות שונות כדי לשמש כסמנים אמינים. על ידי לימוד מספר רב של עצמים אלה במשך שנים רבות, חוקרים צמצמו את הערכים האפשריים עבור קבוע האבל. אף על פי כן, קיימת אי ודאות מסוימת, ולכן מדענים להוטים לטכניקות עצמאיות יותר.
מחקר שנערך לאחרונה בראשות פרופסור עוזר לפרויקט קנת' וונג והחוקר הפוסט-דוקטורט אריק פאיק ממרכז המחקר ליקום המוקדם באוניברסיטת טוקיו מציג טכניקה כזו, הנקראת קוסמוגרפיה עם השהיית זמן. הצוות הראה ששיטה זו יכולה להפחית את התלות של התחום בסולמות מרחק ועשויה להועיל גם לתחומים אחרים בקוסמולוגיה.
שימוש בעדשה כבידה כדי לעקוב אחר התפשטות קוסמית
"כדי למדוד את קבוע האבל באמצעות קוסמוגרפיה של השהיית זמן, צריך גלקסיה מסיבית באמת שיכולה לשמש כעדשה", אמר וונג. "כוח המשיכה של 'עדשה' זו מסיט אור מעצמים המסתתרים מאחוריה סביב עצמה, כך שאנו רואים גרסה מעוותת שלהם. זה נקרא עדשות כבידתית. אם הנסיבות מתאימות, נראה למעשה מספר תמונות מעוותות, וכל אחת מהן תעבור מסלול מעט שונה כדי להגיע אלינו, תוך פרקי זמן שונים."
"על ידי חיפוש אחר שינויים זהים בתמונות אלו, אשר מעט לא תואמים זה את זה, נוכל למדוד את ההבדל בזמן שלקח להן להגיע אלינו. שילוב נתונים אלה עם הערכות על התפלגות המסה של עדשת הגלקסיה המעוותת אותן, מאפשר לנו לחשב את התאוצה של עצמים רחוקים בצורה מדויקת יותר. קבוע האבל שאנו מודדים נמצא היטב בטווחים הנתמכים על ידי אופני הערכה אחרים."
מדוע קבוע האבל נותר בעיה
ייתכן שזה נראה מפתיע שכל כך הרבה מאמץ מושקע בחידוד ערך שנמדד פעמים רבות. עם זאת, מספר זה ממלא תפקיד מרכזי באופן שבו מדענים מפרשים את התפתחות היקום, וקיים קונפליקט ארוך שנים בין שיטות המדידה. הערך המקובל של 73 ק"מ/שנייה/מ"פ מגיע מתצפיות של גלקסיות סמוכות. גישה נוספת מביטה אחורה ליקום המוקדם על ידי ניתוח קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל (CMB), הקרינה שנותרה מהמפץ הגדול. כאשר חוקרים מחשבים את קבוע האבל באמצעות ה-CMB, הם מגיעים ל-67 ק"מ/שנייה/מ"פ.
הבדל זה, המכונה מתח האבל, עורר ויכוח בשאלה האם הפער נגרם ממגבלות ניסיוניות או שהוא מאותת על משהו עמוק יותר. עבודתם של וונג, פאיק ועמיתיהם מסייעת לחקור את שורשי המתח הזה בתקופה שבה עדיין חסר הסבר ברור.
ראיות לפער פיזי אמיתי
"המדידה שלנו של קבוע האבל עקבית יותר עם תצפיות אחרות של ימינו ופחות עקבית עם מדידות מיקומים מוקדמים. זוהי עדות לכך שמתח האבל אכן עשוי לנבוע מפיזיקה אמיתית ולא רק ממקור שגיאה לא ידוע בשיטות השונות", אמר וונג. "המדידה שלנו אינה תלויה לחלוטין בשיטות אחרות, הן של יקומים מוקדמים והן של יקומים מאוחרים, כך שאם יש אי-ודאויות שיטתיות בשיטות אלו, לא אמורים להיות מושפעים מהן."
"המוקד העיקרי של עבודה זו היה שיפור המתודולוגיה שלנו, ועכשיו עלינו להגדיל את גודל המדגם כדי לשפר את הדיוק וליישב באופן חד משמעי את מתח האבל", אמר פאיק. "כרגע, הדיוק שלנו הוא כ-4.5%, וכדי באמת לקבוע את קבוע האבל לרמה שתאשר באופן סופי את מתח האבל, עלינו להגיע לדיוק של כ-1-2%."
הרחבת המדגם ושיפור הדיוק
הצוות בטוח שהוא יכול להשיג את רמת הדיוק הזו. במחקר זה, הם ניתחו שמונה מערכות עדשות בעלות השהיית זמן, שכל אחת מהן כוללת גלקסיה בחזית המסתירה קוואזר מרוחק (חור שחור סופר-מאסיבי שצובר גז ואבק, וגורם לו לזרוח בבהירות).
הם שילבו מידע זה עם תצפיות חדשות מטלסקופים מודרניים מבוססי חלל וקרקע, כולל טלסקופ החלל ג'יימס ווב . עבודה עתידית תרחיב את מספר מערכות העדשות, תשפר את המדידות ותמשיך להעריך מקורות שגיאה פוטנציאליים.
"אחד ממקורות אי הוודאות הגדולים ביותר הוא העובדה שאנחנו לא יודעים בדיוק כיצד המסה בגלקסיות העדשה מתפלגת. בדרך כלל מניחים שהמסה עוקבת אחר פרופיל פשוט כלשהו שתואם את התצפיות, אך קשה להיות בטוחים בכך, ואי ודאות זו יכולה להשפיע ישירות על הערכים שאנו מחשבים", אמר וונג.
"המתח של האבל חשוב, שכן הוא עשוי להצביע על עידן חדש בקוסמולוגיה שחושף פיזיקה חדשה. הפרויקט שלנו הוא תוצאה של שיתוף פעולה בן עשרות שנים בין מצפי כוכבים וחוקרים עצמאיים מרובים, המדגיש את חשיבות שיתוף הפעולה הבינלאומי במדע."
DOI: 10.1051/0004-6361/202555801
עוד בנושא באתר הידען:
