אינפלציה, גלי כבידה וקרינת הרקע הקוסמית: תיאוריה ואימות ניסויי

התצפיות החדשות פותחות פתח להבנת היקום הקדום * ד"ר גלי וינשטיין מסבירה את חשיבות הניסוי שאימת את התנפחות היקום בשברירי שניה לאחר המפץ הגדול * המודל האינפלציוני מתקן את מודל המפץ הגדול הסטנדרטי ומציע הסבר להומוגניות של היקום.

התפשטות היקום. איור: shutterstock
התפשטות היקום. איור: shutterstock

התגלית הגדולה ביותר בקוסמולוגיה של המאה העשרים הייתה התפשטות היקום: גלקסיות מאוד רחוקות מתרחקות זו מזו. נשאלה השאלה מדוע הן עושות זאת? נניח שאנחנו נמצאים ב"מרכז היקום" ונדמיין שפעם בעבר התרחש מעין "פיצוץ" בדיוק בנקודה הזו ונקרא ל"פיצוץ" הזה המפץ הגדול. מכיוון שאנחנו נמצאים במרכז היקום היכן שהתרחש הפיצוץ, הגלקסיות שקבלו את המהירות הגדולה ביותר נמצאות עכשיו במרחק הגדול ביותר מאיתנו.

נגיד שאכן התרחש מפץ גדול. מתי הוא התרחש? ניקח שני גופים שנמצאים במרחק D זה מזה היום ונניח שכאשר היקום נולד במפץ הגדול הם היו צמודים יחד. מרגע המפץ הגדול הם החלו להתרחק זה מזה במהירות קבועה. אם הם תמיד התרחקו זה מזה באותה המהירות, המרחק שבו הם נמצאים היום שווה למהירותם כפול הזמן, גיל היקום: D = VT. לפי חוק האבל אנחנו יודעים שהמהירות V שווה ל- V = HD, כאשר H הוא קבוע האבל. נניח שהמהירות של הגופים היא אותה המהירות כיום. משתי משוואות אלה מוצאים שגיל היקום הוא: 1/H = T. מוצאים שגיל היקום שווה בערך ל-14 מיליארד שנה.

ישנם קוסמולוגים שיאמרו לכם שהם חוקרים את היקום כולו, שהוא כנראה אינסופי בגודלו, מתחילת הזמן ועד היום – 2014. הם יספרו לכם שהיקום כולו הוא ככה וככה… אל תאמינו להם, מכיוון שישנם חלקים ביקום שהם יותר מידי רחוקים מכדי שנוכל לראותם וכל מה שאנחנו יכולים לעשות הוא לדמיין ולנחש מה קורה שם. מה ניתן לחקור ביקום? בקוסמולוגיה אנחנו יכולים לחקור רק את החלק הזה של היקום שאותו אנחנו יכולים לראות מהפינה הנידחת שבה אנחנו נמצאים. אם אנחנו מסכימים שהיקום התחיל בזמן כלשהו בעבר, ישנו גבול למרחק שבו ניתן לראות דברים. החלקים הרחוקים ביותר של היקום שאותם אנחנו יכולים לקוות לראות, הם האזורים שבזמן המפץ הגדול פלטו פוטונים או גלי כבידה, ואלה מגיעים אלינו היום לאחר שהם נעו במהירות האור מאז המפץ הגדול.

 

עוד בנושא באתר הידען:

במרחב-זמן מינקובסקי נתאר את קונוס האור של הפוטונים האלה. קונוס האור של העבר שלהם נמתח כמו משולש אחורנית בזמן, כאשר הקודקוד שלו הוא בנקודת הזמן שלנו והבסיס שלו במפץ הגדול. צלעות המשולש הם הגבולות או האופק של היקום שאותו אנחנו יכולים לראות. כל איזור מחוץ לאופק הזה עדיין לא הספיק לשלוח אלינו סיגנלים ולכן אנחנו עדיין לא יכולים לומר שום דבר מדעי עליו. מחר כאשר נבצע תצפיות חדשות אופק זה יתרחב ויתווספו אירועים שנוכל לראותם וכך כל יום גודלו של היקום הנראה גדל.

מחוק האבל ניתן לחשב את האופק של היקום הנראה, את קצותיו, מהו המרחק המקסימאלי D שעד אליו אנחנו יכולים להביט. מציבים במקום המהירות V את מהירות האור c. אנחנו נעים הרחק מהגלקסיות והן נעות הרחק מאיתנו במהירות האור. ולכן Dmax = C/H. וזה מיליארד שנות אור. לא ניתן לראות מעבר לכך. בגבול זה מקבלים אינסוף הסחה לאדום ולקרינה האלקטרומגנטית אין יותר תדירות ולפוטונים אין יותר אנרגיה. זהו הקצה של היקום הנראה. לא ניתן לראות מעבר לקצה זה.

תמונה זו מראה מערך של 512 גלאים מוליכי על בטלסקופ BICEP2 בקוטב הדרומי. הטכנולוגיה היתה מהותית לגילוי השפעת גלי הכבידה מהעידן המוקדם של היקום המכונה "תקופת האינפלציה". צילום: NASA/JPL-Caltech
תמונה זו מראה מערך של 512 גלאים מוליכי על בטלסקופ BICEP2 בקוטב הדרומי. הטכנולוגיה היתה מהותית לגילוי השפעת גלי הכבידה מהעידן המוקדם של היקום המכונה "תקופת האינפלציה". צילום: NASA/JPL-Caltech

נניח שאסטרונומים על כדור הארץ מביטים על הגלקסיות הרחוקות ביותר מכל צידי כדור הארץ ומכל קצה האור שלהן כבר נע 80% מהזמן מאז המפץ הגדול (מגיל היקום). כאשר האסטרונומים מביטים על הגלקסיות הרחוקות ביותר בכל כיוון הם מביטים אחורנית בזמן הכי רחוק שאפשר למפץ הגדול. נניח שהם מביטים על שתי קבוצות של גלקסיות כאלה מאוד רחוקות שנמצאות בשני כיוונים מנוגדים מאיתנו. האור מגלקסיה מקבוצה אחת נע 80% מגיל היקום עד שהוא הגיע אלינו ולכן ברור שלא היה לו מספיק זמן כדי להגיע לגלקסיות בקבוצה השנייה, שאותה אנחנו רואים בכיוון השני. פירושו של דבר שהגלקסיות בקבוצה הראשונה עדיין לא נכנסו ליקום הנראה של הקבוצה השנייה. נגיד שישנם יצורים אינטליגנטיים שחיים על קבוצת הגלקסיות הראשונה והם רואים את כדור הארץ שלנו כפי שהוא היה ב-20% מגילו. הם לא יכולים לראות את הגלקסיות בקבוצה השנייה. אבל אנחנו יכולים לראות את שתי הקבוצות של הגלקסיות בו-זמנית.
כאשר הצענו את תיאורית המפץ הגדול הנחנו שאנחנו נמצאים במרכז היקום ודמיינו שפעם בעבר התרחש פיצוץ בדיוק בנקודה הזו וקראנו לפיצוץ הזה המפץ הגדול. האם זה בכלל הגיוני להניח שאנחנו נמצאים במרכז היקום? נדמיין שאנחנו נקודה קטנה על בלון, שהוא מלא בנקודות קטנות כאלה. עכשיו אנחנו מנפחים את הבלון. כל הנקודות רואות את שאר הנקודות מתרחקות זו מזו וכולן רואות את אותו חוק האבל. כל נקודה רואה את היקום מתפשט הרחק מהנקודה שלה. ככל שהנקודות מתרחקות זו מזו כך אנחנו מגלים שהמהירות שלהן היא גדולה יותר. המעניין הוא שכל נקודה אחרת על הבלון חושבת בדיוק כמונו לגבי הנקודות האחרות בבלון המתנפח; היא חושבת שהיא נורא מיוחדת והיא זו שנמצאת במרכז הבלון בדיוק בגלל שכל הנקודות מתרחקות ממנה באותו האופן. ולכן כל נקודה תמציא את חוק האבל ותחשוב שהיא מיוחדת. היא תגיע למסקנה שהמהירות של שאר הנקודות היא פרופורציונית בצורה ליניארית למרחק.

 

ישנה הכבידה שהיא מושכת ולכן החלקים השונים של היקום מושכים זה את זה. מכאן שההתפשטות מואטת. קצב ההתפשטות בעבר היה מהיר יותר מאשר היום ובזמן כלשהו בעבר, בתחילת הזמן, בסינגולאריות, הגלקסיות והגז ביקום היו כולם דחוסים יחד בצפיפות גבוהה בצורה אינסופית. למעשה מאמינים שמוקדם מאוד בתחילת היקום בתחילה הייתה תאוצה שבעקבותיה הייתה תאוטה, ואחר כך יתכן שהייתה שוב תאוצה.

 

תצפיות אסטרונומיות שגילו ומדדו סופרנובות מאוד רחוקות מסוג Ia ספקו עדויות לכך שהתפשטות היקום למעשה מאיצה כיום. כלומר, שקבוע האבל היה קטן יותר בעבר מאשר הוא היום. מכאן שיתכן וניתן לצפות ברגעים הראשונים של המפץ הגדול החם, לצפות ב"הכל" מלבד בשבריר השנייה של הסינגולאריות בהתחלה, לבצע מדידות ולהציע תיאוריה פיסיקאלית שתכריע האם אכן היה מפץ גדול.

 

ב-2002 שתי קבוצות של חוקרים השתמשו בסופרנובות כאלה כדי לקבוע את הערך של הקבוע הקוסמולוגי במשוואות השדה של תורת היחסות הכללית. הם מדדו את ההסחות לאדום מהגלקסיות שמכילות את הסופרנובה והתוצאה שהם קבלו הייתה שהיקום מאיץ.

 

מהקבוע הקוסמולוגי מקבלים שדה פיסיקאלי בעל לחץ שלילי, כבידה דוחה, שמפעילה השפעה כבידתית שהיא גדולה יותר מאשר המשיכה הכבידתית של כל החומר הרגיל ביקום. ההסברים ליקום המואץ מעלים את ההשערה הזו שקיים כזה שדה פיסיקאלי, הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין. אסטרופיסיקאים קראו לשדה הזה האנרגיה האפלה ומשערים שהיא מתנהגת כמו הקבוע הקוסמולוגי. היא בלתי נראית מלבד באמצעות ההשפעות הכבידתיות שלה והיא יוצרת השפעות אנטי כבידתיות.

 

היקום הקדום היה חם וצפוף ולכן החומר היה קיים בצורת פלזמה. האטומים של הגז נעו כל כך מהר בטמפרטורה זו, שכאשר הם התנגשו הם ייננו זה את זה ותלשו את האלקטרונים מהגרעינים. בגלל חוק הגוף השחור של פלאנק, לקרינה בפלזמה צפופה יש ספקטרום של קרינת גוף שחור. וזה היה המצב כאשר היקום היה מאוד צעיר וחם. כאשר הוא החל להתפשט, הפלזמה התקררה והאלקטרונים התחברו לגרעינים ויצרו גז ניטראלי. בשלב זה הקרינה בפלזמה השתחררה, בגלל שהפוטונים מתפזרים מחלקיקים טעונים ולא מאטומים ניטראליים. לכן כאשר החלקיקים ביקום נהפכו לניטראליים, הפוטונים לא התפזרו יותר. כאשר התרחשה הקומבינציה הזו בין האלקטרונים לגרעינים, הפוטונים עזבו את החומר. לפוטונים היה ספקטרום קרינה של גוף שחור בעל טמפרטורה שהיא לא מספיקה כדי ליינן מימן. היקום המשיך להתפשט וגז פוטונים זה המשיך גם הוא להתפשט וכמו כל גז מתפשט הוא התקרר. מכיוון שפוטונים אלה נעו בחופשיות ביקום מאז אותה רקומבינציה והם לא התפזרו משום דבר, הם עברו הסחה לאדום קוסמולוגית בדיוק כמו שקרה לאור שנפלט מהגלקסיות מאוחר יותר. כל פוטון עובר הסחה לאדום ולכן לפוטונים האלה עדיין יש ספקטרום של גוף שחור, אבל הטמפרטורה שלהם הוסחה לאדום לערך הרבה יותר קטן.

 

פוטונים אלה נצפו והם נמצאים בחלק המיקרוגל של הספקטרום. הטמפרטורה שלהם היא בערך 2.7K. קרינה זו קרויה קרינת הרקע הקוסמית (CMB). כאשר מביטים ב-CMB אנחנו למעשה מביטים ביקום בגילו הצעיר מאוד. מביטים בכל הצדדים ורואים את אותו סוג קרינת CMB, עם אותה הטמפרטורה ואותה דרגת אחידות. ה-CMB מגיעה אלינו מכיוונים שהם מופרדים זה מזה במרחקים כאלה, שאין להם יכולת לדעת זה על זה, בזמן שבו הקרינה נפלטה; בנוסף היא גם מגיעה אלינו ממרחקים קרובים זה לזה.

ההיפר אינפלציה של היקום. איור: מרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה
ההיפר אינפלציה של היקום. איור: מרכז הארווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה

 

ראינו שהיקום הומוגני. נלך אחורנית בזמן. היקום התקרר והחומר המיונן שלו נהפך לניטראלי, האלקטרונים עשו רקומבינציה עם הפרוטונים ולפוטונים לא הייתה יותר מספיק אנרגיה להתפזר מהאלקטרונים. נותרה ה-CMB (קרינה קוסמית). הגז ההומוגני ההתחלתי החל מתפשט. כיצד בגז כזה יכולים להיווצר גושי חומר לא סדיר כמו גלקסיות? יצירת פלנטות, כוכבים וגלקסיות פירושו שישנו כוח כבידתי מושך שמוביל לאי יציבויות בגז. ישנה חוסר סדירות באזור מסוים שבו ישנה צפיפות גדולה מהרגיל והיא הולכת וגדלה. האזור משנה את כיוון התפשטותו וקורס כבידתית. תסריט זה לא נראה כל כך סביר, מכיוון שיצירה אקראית כזו של גושי חומר בגז של המוני חלקיקים היא נדירה. מבחינה סטטיסטית, עבור כל חלקיק שמתקרב לחלקיק אחר, סביר שיהיה חלקיק אחר שיתרחק ממנו. גם אם נניח ששום דבר הוא לא הומוגני בצורה מושלמת וזה יוביל ליצירת גושים, לא יכולות להיווצר גלקסיות מהגושים האלה וזקוקים למכניזם כלשהו שיצור אותן. יצירה אקראית של גושים בקריסה כבידתית לא יוצרת גלקסיות, כי מספר החלקיקים שזקוקים לו כדי ליצור כוכב, שלא לדבר על גלקסיה, הוא עצום. ולכן פלוקטואציות אקראיות במיקומי החלקיקים לא יכולות ליצור צבירים של חלקיקים בצפיפות הדרושה ליצירת כוכבים וגלקסיות. משהו היה צריך לגרום לאי סדירויות בצפיפות בסדרי גודל גדולים. לכן הציעו את החומר האפל שמספק את אי הסדירויות האלה. החומר האפל הוא ים של חלקיקים כבדים ניטראליים מבחינה חשמלית והם קרויים החומר האפל הקר (CDM).

 

פיסיקאים קושרים את רעיון ה-CDM לתפיחה, האינפלציה: בתחילה בשלב מאוד מוקדם התרחשה התפשטות מאוד מהירה ביקום, שאותה הניעה האנרגיה האפלה בעלת לחץ שלילי, כמו קבוע קוסמולוגי עצום. האינפלציה מגבירה את אי הסדירויות בצפיפות בגורם גדול מאוד. אפילו פלוקטואציה קטנה בצפיפות מאי ודאות קוונטית, לפני תקופת האינפלציה, מוגברת לאחר האינפלציה לאי סדירות משמעותית בהתפלגות חלקיקי החומר האפל.

 

תצפיות ב-CBM סייעו לבסס את המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי שקרוי Lambda-CDM. הלמבדה הוא הקבוע הקוסמולוגי. היקום נשלט על ידי חומר אפל קר ובעל קבוע קוסמולוגי שמניע התפשטות מואצת בזמנים מאוחרים. לפי מודל זה היקום שלנו הוא שטוח מבחינה מרחבית.

 

כאשר עסקנו קודם בדוגמה הפשטנית של הבלון המתנפח בעל הנקודות על המעטפת שלו, ראינו שהיקום שלנו הוא יקום הומוגני של גלקסיות מתפשטות. אבל מדוגמת הבלון רואים שחוק האבל מתאר את התפשטות היקום מבחינה לוקאלית: כיצד הוא מתנפח בסביבות הנקודה שלנו. אנחנו רוצים לדעת מהן התכונות הגלובאליות של היקום כולו: האם הבלון הוא שטוח או עקום. זוהי הגיאומטריה של היקום. איינשטיין תאר את הכבידה במונחים של גיאומטריה. מכיוון שבסדרי גודל גלובאליים היקום הומוגני ואיזוטרופי (שום דבר לא משתנה מכיוון אחד לשני), ניתן לצייר סביב כל נקודה כדור. מכיוון שכל המרחקים הם זהים, אנחנו יוצרים משטח מכל הנקודות על מעטפת הכדור. המרחק הזה לנקודות הוא רדיוס הכדור. ניתן לצייר מעגל גדול על הכדור. אורך המעגל הוא היקף הכדור. יחס ההיקף לרדיוס הכדור בגיאומטריה אוקלידית הוא שני פאי. החלל הוא הומוגני ולכן לכל הכדורים שמצוירים סביב כל הנקודות יהיה יחס בין ההיקף לרדיוס ששווה לשני פאי. אם יחס זה קטן משני פאי סימן שהחלל הוא עקום: לכל הכדורים שמצוירים סביב הנקודות של החלל יהיה יחס בין היקף המעגל לרדיוס הכדור שהוא קטן משני פאי.

 

ניתן לקבוע את הגיאומטריה של היקום על ידי זה שנמדוד את צפיפות המסה הכוללת של היקום בסביבתנו ואת קבוע האבל. כאשר עושים זאת עבור היקום הנראה מוצאים שהעקמומיות היא קרובה לאפס ודומה שאנו חיים ביקום שטוח.

 

המודל האינפלציוני מתקן את מודל המפץ הגדול הסטנדרטי ומציע הסבר להומוגניות של היקום.

 

האינפלציה מציעה שהייתה תקופה מאוד מוקדמת שנשלטה על ידי האנרגיה האפלה והיא פעלה כמו מעין קבוע קוסמולוגי. הוא הניע התפשטות מהירה בצורה מעריכית (אקספוננציאלית): לפי תורת האינפלציה בתחילת היקום בערך ב-10-36 שניות אחרי המפץ הגדול היקום עבר התפשטות מעריכית אלימה כזו, שבה הנפח שלו גדל בגורם של בערך 1078. אם האינפלציה נמשכה מספיק זמן והתאוצה הייתה מספיק חזקה, כל מה שאנו רואים היום היה פעם בתוך אזור זעיר. ההומוגניות והחלקות ביקום בסדרי גודל גלובאליים, שאותם אנו רואים היום, התקבלו בטרם הייתה האינפלציה: אזורים גדולים התפשטו מאזורים קטנים בדיוק לפני שהתרחשה ההתפשטות האינפלציונית, גם אם היקום היה מאוד אקראי. לוקאלית האחידות נשברה בגלל שהגלקסיות והכוכבים נוצרו כאשר האינפלציה מספקת הסבר לכך: ההתפשטות בגלל האינפלציה יצרה אי סדירויות על ידי זה שהיא הגבירה את הפלוקטואציות הקוונטיות שהיו קיימות לפני שלב האינפלציה. אפקטים אלה הובילו ליצירת הגלקסיות, והסבר זה של תיאורית האינפלציה שיוצר את הכמות הנכונה של חוסר ההומוגניות ברמה הלוקאלית, הוא לב ליבה של התיאוריה: האינפלציה מבטיחה לפתור גם את בעיית ההומוגניות ברמה הגלובאלית וגם את בעיית שבירת ההומוגניות בדיוק במינון הנכון ברמה הלוקאלית.

נשוב לקרינה הקוסמית ולעדויות הניסוייות לגבי תורת האינפלציה. ה-CMB קרינת הרקע הקוסמית היא אחד המקורות העיקריים לחקר היקום בכללותו. ה-CMB מספקת חלון ליקום הקדום ומדידת הטמפרטורה של ה-CMB יכולה לספק מידע לגבי גלי הכבידה. לשם כל נדבר מעט על עדשות כבידתיות. ביחסות הכללית הנוכחות של החומר, צפיפות החומר, יכולה לעקם את המרחב-זמן ולכן מסלול האור יוסת כתוצאה. תהליך זה נקרא עדשה כבידתית והוא אנלוגי במובן מסוים למה שקורה באופטיקה, להסתת האור על ידי עדשת זכוכית. העדשה הכבידתית היא לכן העיוות של מסלול האור שנגרם כתוצאה מהכבידה. הכבידה מתפקדת כמו עדשה עבור מקור אור. אם ישנו כוכב שנמצא במרחק כלשהו מאיתנו, קרני האור שבאות ממנו מוסתות ולכן אנחנו רואים אותו במיקום מעט שונה ממיקומו האמיתי. בסקאלות קוסמולוגיות יש לנו כזה מקור שעובר עדשה כבידתית והוא קרינת הרקע הקוסמית ה-CMB. בין ה-CMB ובינינו ישנו טווח של חומר שמפריע למסלולי קרני האור שבאות מה-CMB בדרכן אלינו. ולכן זהו מקרה פרטי של עדשה כבידתית שידוע בשם קיטוב של ה-CMB.

בעוד שה-CMB פותח חלון ליקום כפי שהוא היה בערך 400,000 שנים לאחר הוצרו, הקיטוב של ה-CMB נוצר בגלל החומר בינינו לבין ה-CMB ומאפשר לנו לקבל מידע על התפתחות היקום. אנחנו מקבלים מידע אודות שינויי הטמפרטורה ממקום למקום בשמים ומקבלים מידע על העדשה הכבידתית או על הקיטוב. מידע זה קשור למסה הכוללת לאורך קו התצפית.
מאז שהגו את תורת האינפלציה לפני 30 שנה כל הניבויים שלה אומתו מלבד אחד: הניבוי שלא נצפה הוא שהפלוקטואציות הקוונטיות יצרו גל כבידתי ברקע (GWB) ביקום המוקדם. כאשר זה נתגלה עכשיו זה היה ה"אקדח המעשן" לתורת האינפלציה", וזה גם יכול לומר לנו עד כמה האינפלציה הייתה חזקה.

כיצד מגלים את ה-GWB? כמו שאמרנו למעלה ה-CBM מקוטבים. הם מקוטבים בגלל אפקט שקרוי פיזור תומסון. אפקט זה הוא בגלל פלוקטואציות בצפיפות שהתרחשו ביקום המוקדם. ישנה כמות קטנה יותר של קיטוב שנגרמה בגלל גלי הכבידה. שני מקורות אלה – פיזור תומסון וגלי הכבידה – מניבים שני סוגי קיטוב שונים. בדיוק כמו בתורה האלקטרומגנטית הקלאסית, מקבלים מפת קיטוב שמורכבת משני בסיסים אורתוגונאליים, או משני אופנים אורתוגונאליים שקרויים: אופן-E ואופן-B. מבחינה מתמטית אופן E נראה כמו גרדיאנט ואופן B נראה כמו קרל. לכן אם אנחנו נשרטט מפה של קיטוב ה-CBM ונפרק אותה לאופני-E ולאופני-B ונגלה אופני B שהם לא אפס, אז גילינו גלי כבידה GWB וככה אימתנו את קיום האינפלציה!

אופני-E נתגלו כבר לפני 10 שנים, אבל אופני-B לא נתגלו עד שלשום והם כאמור יכולים להיווצר רק על ידי גלי כבידה. גלי הכבידה הם אדוות שמתפשטות במרחב-זמן עצמו. כאשר הגלים חצו את היקום הקדום הם הניעו חלקיקים טעונים. התנועה המחזורית והסדירה של החלקיקים האלה הותירה חותם אופייני על האור של ה-CBM על ידי הקיטוב שלו לאופן-B. כלומר כתוצאה מכך הקרינה הקוסמית מתנודדת בכיוונים מסוימים. ניתן לדמיין זאת כמו מעין מערבולות של חום וקור של גלים מתנודדים בכיוונים שונים בשמים. כיוונים אלה מקוטבים באופן-B.

איך אנחנו יודעים שהסיגנל שמקבלים בטלסקופ BICEP2 בקוטב הדרומי הוא גלי כבידה? אם הסיגנל הוא אחיד וזהה סימן שמדובר ברעש אקראי. מגיעים למסקנה זו על ידי תהליך שנקרא ""Jackknifing. כמוכן יתכן שמקורות כמו אבק בגלקסיה שלנו יכולים להופיע בניסוי כאילו הם גלי כבידה. בניסוי האחרון, שתוצאתו פורסמה שלשום, החוקרים השוו את הנתונים לתוצאות שהתקבלו ממשימה קודמת שקרויה "משימת פלנק". הם הגיעו למסקנה שהסיגנל לא יכול להיות מוסבר על ידי אבק בגלקסיה. מקור נוסף לכך שהסיגנל יכול לא להיות גלי כבידה הוא: הקרינה שבאה מה-CBM אלינו עוברת תהליך של עדשה כבידתית על ידי הגלקסיות בינינו לבין הטלסקופ שממוקם בקוטב הדרומי. הגלקסיות יכולות לעקם את מסלול האור וליצור סיגנל שיכול להראות כאילו הוא גלי כבידה שהתקבלו בניסוי. אבל סיגנל כזה אינו חזק מספיק והוא בעל צורה שונה מאשר לגלי הכבידה האינפלציוניים, ודומה שאלה האחרונים נתגלו בניסוי.

התצפיות החדשות פותחות פתח להבנת היקום הקדום. תורת האינפלציה מנבאת שאם לוקחים בחשבון את ההתפשטות המעריכית (האקספוננציאלית) יחד עם הקוונטיזציה של השדה הכבידתי מקבלים גלי כבידה GWB שהטביעו את חותמם הייחודי והאופייני על ה-CMB בצורת קיטוב באופן-B. חותם זה לא יכול להיווצר על ידי פלוקטואציות בצפיפות החומר. הגילוי של קיטוב באופן-B של ה-CMB מספק אימות חד-ערכי לתורת האינפלציה.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

24 תגובות

  1. היי גלי,
    בקשר לעניין שהיקום הוא שטוח (אני מניח שהכוונה לכך שהצורה הגאומטרית שלו היא כשל דיסק), האם במצב כזה בהנחה שאנחנו במרכז הדיסק ואנחנו צופים לסוף היקום בציר X, הוא יראה לנו מרוחק יותר מסוף היקום בציר Y? האם גם ציר X וגם ציר Y הם מחוץ לטווח מהירות האור? האם הבנתי את הנושא הזה בצורה נכונה או שהמבנה הגאומטרי של היקום שונה?
    תודה

  2. שאלה לד"ר גלי ויינשטיין או לכל מי שמבין:
    אם היקום מאיץ, דבר שלא ידענו עד לפני שנה-שנתיים, נראה לי שהסקת גיל היקום מתוך קבוע האבל (הנוכחי) – שגויה.
    על כן, היקום זקן יותר יותר מכפי שחושב. אולי אפילו במידה רבה.
    למה? אם אני רואה רכב שמתרחק ממני במהירות 100 קמ"ש, ושהמרחק אליו ברגע זה הוא מאה ק"מ, סימן שהוא יצא מאצלי לפני שעה.
    אבל אם המדידות החדשות שלי מראות שהוא מאיץ, ואני מניח שהוא האיץ גם לפני כן, סימן שהוא היה אצלי לפני יותר משעה (לפחות שעה). זה יכול להיות לפני 20 שעות….
    לא 14 מליארד שנה, אלא 20, 30, 40… יש למדוד את התאוצה וקצב שינויה !
    מי מבין ויכול לענות לשאלה?

  3. אבי כהן
    מה שאתה אומר זה נכון – יש כוכבים שהאור שלהם מעולם לא יגיע אלינו. היום להבנתי, אנחנו כבר רואים די קרוב לגבול התיאורטי הזה.

  4. תודה על ההסבר דר. גלי ויינשטיין, אבל נקודה הבין את הכוונה שלי בצורה יותר מדוייקת.היקום התחיל בפיצוץ הגדול, ואז המרחב כולו התרחב, כנראה במהירות גדולה יותר ממהירות האור, ולכן יש חומר שנמצא רחוק מכדי שהאור שלו יגיע אלינו. השאלה אם זה מדוייק. אם היקום כולו התרחב, אז האור מהפיצוץ הזה אמור לבוא מכל נקודה ביקום מסביבנו במידה שווה פחות או יותר, האם זה נכון?

  5. אבי: אם מהירות האור היא קבועה, והיא המקסימלית, אז איך האור מהחומר שרחוק מאיתנו מגיע רק עכשיו? איך יתכן שהחומר נע מהר יותר ממהירות האור?
    החומר לא נע מהר יותר מהאור. בגלל שמהירות האור קבועה לוקח לאור זמן להגיע ממרחקים מאוד גדולים. לכן כאשר אנחנו רואים את האור מגופים מאוד רחוקים ביקום, אנחנו למעשה מביטים באור שנפלט מהם לפני זמן רב: אנחנו רואים אותם למעשה כפי שהם היו בעבר המאוד רחוק.
    נניח שהעצמים הרחוקים ביותר שאסטרונומים יכולים להתבונן בהם הם בערך 14 מיליארד שנות אור רחוקים מאיתנו. לכן האור שאותו אנחנו יכולים לראות מעצמים אלה התחיל את מסעו אלינו לפני 14 מיליארד שנה. מכיוון שזה קרוב לגיל היקום, האור הזה הוא מעין זכר ליקום מעט אחרי היווצרו. לכן התצפית של העצמים הרחוקים ביותר היא למעשה שקולה למבט אחורנית בזמן! זה לא שהחומר נע מהר יותר מהאור. לאור לקח המון שנים לנוע עד שהוא הגיע אלינו בגלל שמהירותו סופית וקבועה.

  6. נקודה אתה צודק. ההתנפחות בזמן האינפלציה אכן הייתה גבוהה הרבה יותר ממהירות האור. מדובר במרחב עצמו שהתנפח ועליו אין את ההגבלה של מהירות האור. בתורת היחסות הפרטית מידע לא יכול להתפשט מהר יותר ממהירות האור. אבל כאן מדובר בהתפשטות של המרחב-זמן שהיא מהירה ממהירות האור. היא מותרת כל עוד לא מעבירים שום מידע כמו למשל קרני אור. מבחינת היקום מידע הוא קרני אור שבאמצעותם מיקום אחד ביקום יכול לראות את המיקום האחר ביקום. אם לא מעבירים שום מידע בין מיקום אחד למיקום אחר אז משהו אכן יכול להתרחש במהירות שהיא גבוהה מזו של האור. ההתפשטות בזמן האינפלציה היא גידול במרחב-זמן, שהוא בהחלט יכול לנוע מהר יותר מהאור יחסית למיקום כלשהו ואל מיקום אחר וזאת בתנאי שלא מועבר מידע בין שני המיקומים האלה וששום קרן אור לא מועברת ביניהם. אם שום קרן אור לא עוברת ביניהם אז שני המיקומים האלה לא יכולים לראות זה את זה.

  7. שרון חיים מדר
    "לדעתי אין סיבה שמהירות האור בחלל ריק תיהיה מוגבלת כי שום דבר לא עוצר אותה וגם אין לה מסה.לכן המהירות של האור היתה אמורה להיות אין סופית."

    קודם כל שים לב – מסת המנוחה של פוטון הוא אפס. לפוטון יש תנע, הוא "נמשך" למסה אחרת, וכן הלאה.
    בכל מקרה – זו לא מהירות האור שמוגבלת ל-c. זו המהירות של העברת אינפורמציה, ומהירות היא אינפורמציה. אם מהירות העברת האינפורמציה לא הייתה מוגבלת, היינו מגיעים לסתירות, או ליקום שלא יכול להתקיים. אתן לך דוגמה פשוטה. תאר לך שני מטוסים מהירום. אחד טס אלי והשני עומד לחצות לפני במרחק מסויים. נניח שהמטוסים מתנגשים בשלב מסוים. עכשיו – תאר לך שהאור מהמטוס שמתקדם אלי מגיע אלי יותר מהר מהאור של המטוס שחוצה (דבר שנראה הגיוני). מה יקרה? ברגע ההתנגשות, האור מהמטוס הראשון יגיע אלי לפני ההתנגשות!!! וזו סתירה.

    "לפי מה קבעו שהמפץ התחיל דוקא מכדור הארץ?"

    בזמן המפץ הגדול כל היקום היה מרוכז בנקודה אחת. ההתפשטות אינה מהנקודה הזאת החוצה – הנקודה עצמה מתפשטת. תחשוב שכדור הארץ תתחיל להתנפח. מה תראה? כל נקודה שאתה מסתכל עליה מתרחקת ממך – ולכן יראה לך שאתה במרכז ההתפשטות.

    "שאלה נוספת האם יתכן שגם כדור הארץ היה חור שחור שקרס וניהיה לבסוף כוכב לכת?

    ממש לא. בחור שחור החומר מתקווץ לגודל 0. ממש 0! יש כוכבים אחרים שנוצרו מקיווץ, כוכב ניוטרונים למשל, אבל בכוכב כזה צפיפות החומר כל כך גבוהה, שיש כוח כבידה עצום שימנע כל פעילות כימית שיכולה להביא להיווצרות חיים.

    "או שאולי כדור הארץ היה בעל מטען גדול של מימן וכאשר הוא קרס נשארו בו רק היסדות הכבדים והמימן חלקו יצא החוצה וככה נוצרה השמש שלנו?"

    אנחנו יודעים שהמימן נוצר לפני יסודות כבדים יותר. כלומר – זו מסקנה של תיאורית המפץ הגדול. אין לנו כל סיבה לחשוב אחרת, על פי הראיות שיש לנו היום.

  8. אני חושב שמהירות האור וכן המסה שיש בין החלקיקים שמושכים אחד את השני,נוצרת בגלל החור השחור שבמרכז הגלאקסיה שלנו.והוא שיוצר את גלי הכבידה שיצאו מאופק האירועים.ולכן כל חור שחור ביקום יהיו בו חלקיקים שונים בתכונותהם וכן מהירות האור בכל אזור של חור שחור תיהיה שונה. לדעתי אין סיבה שמהירות האור בחלל ריק תיהיה מוגבלת כי שום דבר לא עוצר אותה וגם אין לה מסה.לכן המהירות של האור היתה אמורה להיות אין סופית. לכן הפתרון שלי מבוסס על החור שחור.
    אגב את המאמר את כותבת בשפה מדעית שאינה מובנת לאדם הפשוט ואת הרוב לא הבנתי.
    לפי מה קבעו שהמפץ התחיל דוקא מכדור הארץ? שאלה נוספת האם יתכן שגם כדור הארץ היה חור שחור שקרס וניהיה לבסוף כוכב לכת? או שאולי כדור הארץ היה בעל מטען גדול של מימן וכאשר הוא קרס נשארו בו רק היסדות הכבדים והמימן חלקו יצא החוצה וככה נוצרה השמש שלנו? אשמח לקבל תשובה.

  9. לאבי כהן, ההתנפחות בזמן האינפלציה היתה גבוהה הרבה יותר ממהירות האור. ולא מדובר בחומר שנע אלא במרחב עצמו שהתנפח ועליו אין את ההגבלה של מהירות האור.

  10. שאלה,
    אם מהירות האור היא קבועה, והיא המקסימלית, אז איך האור מהחומר שרחוק מאיתנו מגיע רק עכשיו? איך יתכן שהחומר נע מהר יותר ממהירות האור?

  11. נכנסתי בשמחה, כיוון שאני רגיל למאמריה מאירי העיניים של ויינשטיין. הפעם לא הצלחתי להבין את המאמר, בייחוד משום שכל תופעה הוסברה על ידי חוק או תופעה לא מוכרים (לי).
    אני מבין שהבעיה אצלי, אבל דווקא הייתי שמח להבין יותר את הנושא (מבלי לשרוף יומיים בויקיפדיה).

  12. יוסי תודה. לצערי זה לא "לדעתי" שמהירות האור היא גבול עליון למהירויות של גופים בטבע וגם שמהירות האור היא קבועה וערכה הוא c. מהירות האור כגבול עליון למהירויות של גופים בטבע נובעת ממשוואות היחסות ומחוק הטבע לפיו מהירות האור היא קבועה וערכה הוא c.

  13. גלי. כרגיל תענוג לקרוא. מסכים עם הגישה, רק מטריד אותי שלא נוכל לדעתך לחקור מה שמעבר למרחק מהירות האור. לדעתי הרוח האנושית תמצא דרך.
    האם הניסויים שבוצעו הם ניסוי ראשון מאשש לתורת המיתרים, שהרי נאמר שהמודל האינפלציוני חורג מהמודל הסטנדרטי.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן