בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו?

בפרק זה נלמד מהי קרינה הרקע הקוסמית, וכיצד מודדים אותה

"במהלך חודש מרץ 2014 קיבלנו אישוש ניסויי ראשון לכך שהיקום עבר התפשטות מואצת שבריר שניה לאחר המפץ הגדול ואישור נוסף לתורת היחסות הכללית של אינשטיין. כך אנו מרחיבים את הבנת המציאות שלנו ומתקרבים צעד נוסף לעבר תיאוריה של הכל ולעבר הבנה מלאה של היקום שלנו וכיצד הוא נוצר. ברוכים הבאים לחלק הרביעי של קיצור תולדות היקום! בסדרה זו נסקור הן את התובנות שהצלחנו להגיע אליהן עד היום בתחום הקוסמולוגיה

כפי שהוסבר קודם, לאחר המפץ הגדול נוצרו הקרינה והחומר. כל עוד היקום היה במצב "מרק החלקיקים הלוהט" הקרינה נבלעה בחלקיקים ונפלטה מחלקיקים ללא הרף. רק לאחר 380,000 שנה מאז המפץ הגדול, כאשר נוצרו האטומים הראשונים, הקרינה יכלה לנוע ללא הפרעה בחלל הריק. ככל שהזמן עבר היקום המשיך להתפשט ולהימתח וכתוצאה הקרינה הזו התקררה והלכה. התדירות שלה ירדה עד שהיא הגיע בימינו לתדר הקר של גלי המיקרו. מאז שהקרינה יכלה לנוע בחלל הריק ועד שקלטנו אותה, היא נעה ללא הפרעה עד שהגיעה למכשירים הרגישים שלנו לתדירויות קרינת המיקרו. חישבו על המצב המוזר הזה, לכל כיוון שאנו מכוונים אנטנה שרגישה לקרינת מיקרו אנו מקבלים אותות מהחלל והאותות הללו בדיוק באותו התדר למרות שאנחנו מודדים אותן בכיוונים הפוכים בשמים. איך יכול להיות שבכיוונים שונים בחלל תהיה לנו בדיוק אותה הקרינה? ההסבר הוא שכל הקרינה הזו יצאה ממקור אחד משותף ולכן הקרינה נראית אותו הדבר. המקור הוא כמובן המפץ הגדול ובגלל שמיד אחרי המפץ היקום היה קטן מאד, הקרינה יכלה להתפשט ללא בעיה בכל היקום. כך אפשר להסביר מדוע אנו מודדים את קרינת הרקע הקוסמי בכל כיוון בחלל ובאותה התדירות והטמפרטורה. התדירות והטמפרטורה הנמוכה של קרינת הרקע הקוסמית נותנת אישור נוסף לכך שהיקום החל במפץ גדול בדיוק לפני 13.8 מליארד שנים.

קרינת הרקע הקוסמית אחידה על פני החלל בצורה מדהימה, אותה הטמפרטורה ואותה התדירות בכל מקום. בשנות התשעים נעשה ניסוי נוסף לבדוק עד כמה אחידה הקרינה הזו. לוויין בשם קובי (cobe) הסתובב סביב כדור הארץ ואסף דגימות מקרינת הרקע הקוסמית במקומות שונים במסלולו של כדור הארץ סביב השמש. התוצאות היו מרשימות, הוא מצא שהטמפרטורה והתדירות של הקרינה היא אותו הדבר בדיוק בכל מקום עד כדי 0.00001 מעלות, ז"א שרק אחרי שש ספרות לאחר הנקודה העשרונית מתחילים לראות הבדלים בטמפרטורה והתדירות של הקרינה. אלו הבדלים זערוריים! אך הבדלים אלו חשובים להיווצרות הכוכבים והגלקסיות ביקום. הקרינה האחידה מתאימה לכך שהיה "מרק חלקיקים" לוהט ואחיד (כמו מרק לוהט בסיר בו כל המרכיבים מעורבבים ואחידים). כאשר האטומים נוצרו, גם הם שמרו על אחידות זו. אך אם כל החומר והקרינה היו כל כך מעורבבים ואחידים בחלל, כיצד יכלו להיווצר מבנים גדולים ולא אחידים כמו כוכבים וגלקסיות?

שלא כמו בתקופת המרק הקדמוני, כשאנו מסתכלים על היקום הוא לא נראה אחיד, יש בו אזורי חומר של כוכבים וגלקסיות וצבירי גלקסיות וביניהם יש אזורים עצומים של ריק (וקרינת רקע קוסמית). בנוסף, כדי שיווצר כוכב אחידות החומר צריכה להישבר. צריך שיהיו מקומות מעט צפופים יותר ממקומות אחרים, כך ששם יתאסף יותר חומר ולכן יהיה שם כוח משיכה גדול יותר מאשר במקומות אחרים. כוח המשיכה הזה ימשוך אליו קצת יותר חומר מאשר מקומות אחרים מושכים וכך לאורך תקופות זמן ארוכות יתרכז מספיק חומר באזור קטן, ימשך אחד לשני, יתנגש אחד בשני, יתחמם וייצור כוכב. לשם כך צריך סטיות בפיזור החומר במרק הלוהט, סטיות אלו בחומר יגרמו לסטיות בקרינת הרקע הקוסמית (הקרינה נבלעת מעט יותר באזור בו יש מעט יותר חומר). לכן הסטיות הקטנות שהתגלו בקרינה היו מאד חשובות, הן העדות לסטיות קטנות באחידות החומר. סטיות שיובילו ליצירת הכוכבים וצבירי כוכבים (גלקסיות). ובאמת, הסטיות הקטנות שגילינו בקרינת הרקע הקוסמית לאורך השמיים נמצאות בדיוק באזורים בהם כיום אנו רואים גלקסיות. תהליך יצירת כוכבים לוקח זמן רב, ההערכה היא שרק לאחר כמליארד שנה מאז המפץ הגדול הופיעו הכוכבים הראשונים.

בראשית לא היה דבר. היה ריק.
תנודת אנרגיה הופיעה מתוך הריק,
המפץ הגדול - יצירת המרחב זמן
היקום החל להתפשט (ואין משמעות לשאלה לאן)!
הסימטריה נשברה, האיחוד נסדק
כוח הכובד מהכוח המאוחד נפרק
אז הגיע תור הכוח הגרעיני החזק
הכוח האלקטרומגנטי נפרד מהכוח הגרעיני החלש
החלקיקים נוצרו וקיבלו מסה חיש מהר
מרק קדמוני לוהט הלך והתקרר
החלקיקים לאטומים החלו להתחבר
קרינת הרקע יצאה לדרכה
האטומים התחברו אחד לשני ללא בעיות
כוכבים נוצרו מתוך הסטיות
הכוכבים יצרו מבנים וגלקסיות
אנרגיה אפלה בינתיים הצטברה
והתפשטות היקום שוב גברה

מודל היקום האינפלציוני

שימו לב לכמות הנכבדת של האישושים הניסיונים שכבר אספנו עד היום לתיאוריית המפץ הגדול ולגיל היקום. התפשטות היקום, קרינת הרקע הקוסמית בעלת התדירות המתאימה והאחידות המתאימה ובעלת הסטיות המתאימות. כל הממצאים הללו מסכימים אחד עם השני ומאשרים שהיקום שלנו החל לפני 13.8 מליארד שנים במפץ גדול (ולא נשכח את מציאת חלקיק ההיגס המהווה תמיכה נוספת בדבר האיחוד האלקטרו-חלש ואיחוד הכוחות). אבל היה צורך בתובנה נוספת לגבי התפתחות היקום כדי להסביר כיצד נוצרו הכוכבים והגלקסיות. נתגלו מספר בעיות במודל המפץ הגדול שהיה צריך לפתור. יש אזורים מרוחקים מאד מבחינתנו, משני צידי היקום שאנו מסוגלים לראות. גם שם ,כמובן, יש את קרינת הרקע הקוסמית בעלת הטמפרטורה האחידה. חישובים הראו שכשלוקחים את אזורי הקרינה המרוחקים הללו ומנסים להחזיר אותם אחורה בזמן, נראה שהזמן מתחילת היקום לא מספיק להם כדי להתכנס כמו שאר החומר לנקודה אחת. במילים אחרות, האזורים הללו מרוחקים מדי ולא נראה שבזמן המפץ הגדול הם היו בנקודת המפץ הגדול. הם כה מרוחקים עד שאף פעם כלל לא היה קשר בין האזורים הללו. אך אם לא היה כלל קשר ביניהם, איך יכול להיות שיש להם אותה הטמפרטורה ואותה התדירות (מה הסיכוי שתסתכלו בטלסקופ על בניינים מרוחקים ותמצאו בכולם מטבחים עם כוסות קפה ובכל הכוסות הללו אותה הטמפרטורה? כדי להסביר זאת צריך לומר שכל הכוסות השונות הללו החלו את דרכם מקנקן קפה משותף ולכן כולן באותה הטמפרטורה, אך אז יסתבר שחלק מהכוסות רחוקות מדיי אחת מהשנייה ומעולם הן לא היו בקנקן המשותף)?

התגלתה בעיה נוספת, מסתבר שהסטיות שגילינו בקרינת הרקע הקוסמית קטנות מדי בכדי להסביר כיצד מספיק חומר נדחס ויצר כוכבים. הבעיה היא שהיקום החל לוהט מדי ואחיד מדי. הוא היה במצב של אי סדר מאד גדול. בפיזיקה אנו מודדים אי סדר בעזרת גודל שנקרא אנטרופיה. ככל שהאנטרופיה גדולה יותר, אי הסדר של המערכת גדול יותר. מצב אחיד מתאים למצב של אי סדר גדול או אנטרופיה גדולה. כפי שבמרק הלוהט אי הסדר גדול, כל הרכיבים, הגזר, המים, אבקת המרק (לעצלנים שביננו), הסלרי, הכל נמצא בערבוביה ואי אפשר לדעת היכן כל רכיב נמצא. אם כך, היקום החל במצב של אנטרופיה מאד גדולה ומאז הוא התקרר והסדר החל לעלות. אך כאן נעוצה הבעיה. ישנו עקרון סטיסטי שהוא מעין חוק טבע שנקרא החוק השני של התרמודינמיקה, הוא טוען שבמערכת סגורה אי הסדר יכול להישאר אותו הדבר או לעלות אבל לא לרדת. אנו רואים את החוק השני הזה בפעולה כל הזמן, בית שנעזב לנפשו הולך ומתבלגן עם הזמן, ערימות הגרביים הלבנות והשחורות בארון שלי הולכות ומתערבבות עם הזמן, כוס זכוכית יכולה להישבר וכך אי הסדר יעלה אך לא נראה מצב הפוך בו שברי זכוכית יתקבצו לפתע וייצרו כוס שלמה. כדי להוריד את אי הסדר חייבים לפתוח את המערכת ולהכניס אליה אנרגיה חדשה. הבית מבולגן? נכניס אנרגיה חדשה למערכת, במילים אחרות נקח מטאטא וננקה את הבית (או, לעצלנים, נזמין מישהו שינקה עבורנו).

לפי החוק השני של התרמודינמיקה אי הסדר אמור לעלות עם הזמן, לא לרדת. כיצד, אם כך, יכול להיות שהיקום שלנו החל במצב של אי סדר גדול ועם הזמן אי הסדר הלך וקטן? יש כאן סתירה לחוק השני של התרמודינמיקה! בייחוד כשניזכר שהיקום הוא כל מה שאפשר למדוד. היקום הוא המערכת הסגורה הגדולה ביותר שיש, אין משהו אחר מחוצה לו, אין איך להוסיף לו אנרגיה ממערכת אחרת. היקום החל עם אחידות ואנטרופיה ענקיים ומשום מה הסדר גדל עם הזמן וכוכבים וגלקסיות נוצרו. אפשר היה אולי לצפות שאם כך אנו נמדוד היום חוק שני של התרמודינמיקה הפוך בו ככל שהזמן עובר הסדר רק עולה. זה היה מתאים לאירועים שהתרחשו אחרי המפץ הגדול, כיצד פתאום קיבלנו מצב הפוך בו האנטרופיה של היקום רק עולה ואף פעם לא יורדת? מה הפתרון לבעיה הזו?

מסיבות אלו ואחרות פיסיקאי בשם אלן גות' הציע בתחילת שנות השמונים את מודל היקום האינפליוני (או מודל התפיחה בעברית). לפי המודל, לאחר המפץ הגדול, תוך כדי שבירת איחוד הכוחות היקום החל להתפשט בקצב מהיר ביותר. המרחב זמן התפשט במהירות עצומה, יותר גבוהה ממהירות האור וכך היתה "אינפלציה" בגודל היקום (לפי תורת היחסות, מהירות האור היא המהירות הגבוהה ביותר האפשרית בה חומר או מידע יכולים לנוע. אך המרחב-זמן אינו חומר ואינו מעביר מידע ולכן הוא כן יכול לנוע מעל מהירות האור). נפח היקום גדל תוך אלפית השניה פי 10,000,000,000,000,000,000,000,000 (אחד ואחריו 25 אפסים). לפי המודל הזמן בו התרחשה התפיחה היקומית הזו הוא כאלפית השניה והיא החלה עם היפרדות הכוח הגרעיני החזק משאר הכוחות (זוכרים מתי?) כ-0.0000000000000000000000000000000001 שניות לאחר המפץ הגדול (34 ספרות לאחר הנקודה העשרונית) עם טמפרטורה של 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000 (1 ואחריו 27 ספרות) מעלות צלזיוס. היום, כאשר גילינו שהתפשטות היקום מואצת שוב, אנו חושדים שאותה אנרגיה אפלה מסתורית אחראית גם לתקופת האינפלציה מיד לאחר המפץ הגדול.

אם מודל התפיחה נכון, נוכל לקבל הסברים לבעיות שהתעוררו. אומנם נראה שקרינת הרקע הקוסמית הנמצאת באזורים מרוחקים אחד מהשני לא החלה בנקודת המפץ הגדול, אך לא לקחנו בחשבון שהיתה תקופה בה היקום האיץ את התפשטותו. אם היקום התפשט תמיד באותה המהירות האזורים המרוחקים הללו באמת לא יכלו להתחיל מאותה נקודה ולהתרחק אחד מהשני כל כך הרבה. אבל בגלל שהיה שלב אינפלציוני בו המרחב התפשט בקצב מסחרר, האזורים הללו כן החלו במפץ הגדול וכן היו קרובים אך הופרדו והתרחקו בצורה משמעותית בשלב האינפלציה. ומה לגבי בעיית הסדר ואי הסדר? היקום אכן החל במצב של אי סדר ואחידות מאד גדולים. בגלל שלפי תורת הקוונטים תמיד קיימות תנודות קטנות, גם במצב אחיד זה היו תנודות וסטיות קטנות מהאחידות (הסטיות הקטנות הנמדדות בקרינת הרקע הקוסמית הן הדים לתופעה זו). כפי שראינו, סטיות אלו עדיין לא מספיקות כדי ליצור כוכבים וגלקסיות, אך כעת יש לקחת בחשבון את תקופת האינפלציה של היקום. התפשטות המרחב-זמן המהירה הזו הגדילה את הסטיות הקטנות הללו למימדים גדולים מספיק בכדי שהחומר שם ימשך מספיק ויצור כוכבים ולאחר מכן גלקסיות וצבירי גלקסיות. בנוסף כפי שראינו, ככל שמגדילים נפח כך הטמפרטורה יורדת. בעקבות תקופת האינפלציה, הנפח גדל בצורה כה גדולה עד שהיקום הפך ברובו קר וריק. בשלב האינפלציוני ההתפשטות היתה כה חזקה עד שהחומר שעבר את ההתפשטות האדירה הזו נמתך יחד עם המרחב-זמן. הרווחים בין החלקיקים גדלו בצורה משמעותית ונוספה כמות חלל ריק אדירה בין החלקיקים. כך נוצרו איים בודדים ומנותקים יחסית של חומר מפוזר בתוך הנפח העצום שלפתע נוצר. זהו מצב מאד מסודר, אנחנו יודעים היכן נמצא החומר והיכן נמצא שאר החלל הריק (כמו למשל מצב מסודר בו בושם נמצא בתוך בקבוקים קטנים ברחבי חדר גדול). הנה כך, בעזרת תקופת ההתפשטות האדירה של המרחב-זמן הצלחנו להגיע ממצב של אי סדר גבוה לאחר המפץ הגדול למצב של סדר גבוה לאחר תקופת האינפלציה. ומה קורה כאשר מתחילים ממצב של סדר גבוה? אם בקבוקי הבושם פתוחים, אנו נראה שעם הזמן הבושם מתנדף מהבקבוקים וריח נעים ממלא את נפח החדר. במילים אחרות, אי הסדר הולך וגדל ואנחנו לא יוכלים להפריד עוד היכן נמצא הבושם והיכן ישנו אויר נקי. כך גם החומר ביקום אדיר המימדים, מתחיל להתפשט בתוך הנפח העצום ולהגדיל את אי הסדר. כך הגענו לחוק השני של התרמודינמיקה בו האנטרופיה תשאר קבועה או תעלה במערכת סגורה.

הניסוי שאישר את מודל היקום האינפלציוני

הדמיה של העיוות הנוצר במרחב עקב גלי הכבידה שיוצרים כוכבים הסובבים זה את זה. אנימציה: נאס"א.

מאז שנות השמונים נשארה פתוחה השאלה האם היקום אכן עבר התפשטות מואצת ועצומה מיד לאחר המפץ הגדול. הניסוי שתוצאותיו פורסמו לפני כשבועיים עונה על שאלה זו בחיוב. התוצאות מתאימות לכך שהיקום עבר התפשטות אינפלציונית!

צוות הניסוי הצליח לדלג על פער האנרגיות ולמצוא הדים לתקופת האינפלציה הקצרה והאנרגתית. איך הם הצליחו למדוד תופעה שארעה זמן כה קצר לאחר המפץ הגדול בעת היפרדות הכוח הגרעיני החזק מהכוח המאוחד? בעזרת גלי כבידה.

תורת היחסות הכללית של אינשטיין אושרה כבר בניסויים רבים ומכשירי ה-GPS שלנו עובדים כשורה בזכותה. אך אחת התחזיות של אינשטיין לא אומתה עד לתוצאות הניסוי האחרון, זוהי תופעת גלי הכבידה. לפי תורת היחסות הכללית, כוח הכבידה הוא בעצם מרחב-זמן שהתעקם (ממש כמו משטח ישר שעיקמו לצורת כדור, רק שהמרחב-זמן הוא ארבע מימדי שמתעקם לצורת כדור ארבע מימדי). אחד מפתרונות המשוואות של תורת היחסות מראה שהמרחב-זמן יכול לרטוט בצורה מחזורית כמו גל. זהו גל כבידה. אנו רגילים לגלים הנעים על פני המים או באויר, אך במקרה זה מדובר על גל הנוצר עקב התעקמות המרחב-זמן עצמו. גלי כבידה הם מאד חלשים ולכן קשים למדידה, עד היום עדיין לא הצלחנו ליצור או למדוד גלי כבידה באופן ישיר (כולל בניסוי הנוכחי). איך נדע בכלל האם עובר כאן גל כבידה? כאשר נמדוד את האזור בו עובר גל הכבידה נגלה שהמרחב שם נמתח בכיוון מסויים ומתכווץ בכיוון הניצב:

ההשפעה של גל כבידה (בקיטוב מסוים) על שרשרת חלקיקים | אנימציה: ויקיפדיה

אומנם קשה למדוד גלי כבידה באופן ישיר, אך צוות הפיסיקאים שערך את הניסוי הבין שניתן לאשר הן את קיום גלי הכבידה והן את מודל היקום האינפלציוני בבת אחת על ידי מדידה עקיפה. הם ינסו למדוד תופעה שאי אפשר להסביר אלא רק בעזרת גלי כבידה ושיכלה להתקיים רק אם היקום עבר תקופה אינפלציונית. התופעה נקראת קיטוב (פולריזציה) והם חיפשו קיטוב ספציפי בגודל ידוע שאמור להיגרם כתוצאה מגלי כבידה רק בשלב האינפלציה. בקיטוב הכוונה לכך שהגל הנע לכיוון מסויים יכול להתנדנד בדרכו במספר כיוונים שונים.

התמונה הבאה מסבירה מהו קיטוב

הערת הכותב:

בחודש יוני הקרוב מתכנן ניר להב להרצאות על נושא זה במסגרת הסדרה שאני מעביר בסינמטקים ברחבי הארץ, סדרת המדע וחקר המציאות (בחודש אפריל ההרצאה תהיה במוצאי יום השואה בנושא האם יצר האדם רע מנעוריו?) אנא עקבו אחרי פרסומי הבלוג חופשי ומאושר.

עוד בנושא באתר הידען: