סיקור מקיף

הפיסיקה של בריאת העולם – תגליות חדשות על מבנה היקום

 במאה השנים האחרונות הייתה התקדמות רבה בכל תחומי המדע. אחד התחומים שבהם ההתקדמות הייתה מרשימה במיוחד הוא תחום האסטרונומיה והאסטרופיסיקה (הפיסיקה של היקום)

** הסבר לאיור

 מאת פרופ' יורם קירש, המחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה. פרופ' קירש הרצה על הנושא בכנס השנתי של האגודה הישראלית לאסטרונומיה שהתקיים אתמול, שישי, באוניברסיטה הפתוחה ברעננה.

את עיבוד הנתונים אפשר לתאר בצורה הבאה. מחלקים את השמים למשבצות בעלות רוחב זוויתי מסוים (למשל 10) ומחשבים את ההפרש בין הטמפרטורה הממוצעת בכל משבצת, לטמפרטורה הממוצעת של קרינת הרקע כולה. אחר-כך מחשבים את הממוצע של ההפרשים הללו. כאשר משנים שוב ושוב את גודל המשבצות וחוזרים על החישוב, מתקבל הגרף שבאיור. הציר האנכי בגרף הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע (?T) ביחידות של 1 חלקי 100,000 מעלות קלווין. בציר האופקי מופיע הפרמטר l שקשור לגודל המשבצות. (1800 חלקי l הוא הרוחב הזוויתי של המשבצות, שמופיע בסקלה העליונה). העיגולים המופיעים בגרף הם תוצאות של מדידות של MAP ושל כמה ניסויים קרקעיים. הקו הרציף מציג את החישוב התיאורטי של ?T, שמתאים לתוצאות המדידות.

 במאה השנים האחרונות הייתה התקדמות רבה בכל תחומי המדע. אחד התחומים שבהם ההתקדמות הייתה מרשימה במיוחד הוא תחום האסטרונומיה והאסטרופיסיקה (הפיסיקה של היקום). קשה להאמין עד כמה הידע האסטרונומי שלנו לפני פחות ממאה שנה, היה מועט. לדוגמא, עד שנת 1924 האסטרונומים חשבו שגלקסיית שביל החלב היא היקום כולו. השערה זו הופרכה ב-1924 על-ידי האסטרונום האמריקאי אֶדְוִין הַאבְּל, שחקר גרמי שמים דמויי ערפילית במצפה הר וילסון שבדרום קליפורניה. בהשתמשו בטלסקופ בקוטר 2.5 מטרים של המצפה, הוכיח האבל כי הערפיליות הללו נמצאות מחוץ לגלקסיה שלנו, ומהוות גלקסיות בפני עצמן.

בשנים 1925 – 1929 גילה האבל תגלית נוספת: הגלקסיות ביקום מתרחקות זו מזו, וקיים יחס ישר בין מרחקה של הגלקסיה מאיתנו לבין מהירות התרחקותה. אפשר להסיק מכך שלפני כ-14 מיליארד שנה כל החומר ביקום היה מרוכז באזור קטן אחד. לפי התיאוריה המקובלת היום, היקום נוצר אז במעין התפוצצות אדירה המכונה "המפץ הגדול".

קרינת הרקע הקוסמיתההוכחה הטובה ביותר למפץ הגדול היא "קרינת הרקע הקוסמית" שהתגלתה בשנת 1965. גילו אותה שני פיסיקאים מחברת בֶּל, ארנוֹ פֶּנְזִיאַס (Penzias) ורוברט וִילְסוֹן (Wilson), שבדקו אנטנת רדיו חדשה לתקשורת לוויינים. הם גילו שהאנטנה קולטת "רעש" מתמיד של קרינה אלקטרומגנטית בתחום גלי המיקרו. הקרינה הזאת הגיעה בעוצמה זהה מכל הכיוונים בשמים והתברר שהיא מתנהגת כקרינה שפולט גוף בטמפרטורה של כשלוש מעלות מעל לאפס המוחלט. (קרינה שהמאפיינים שלה מתאימים לקרינה שפולטים גופים חמים מכונה בפי הפיסיקאים "קרינת גוף שחור"). הוברר כי מדובר בקרינה ששרדה ביקום מאז המפץ הגדול, והתקררה בהדרגה בגלל התפשטות היקום.

על פי התיאוריה היו צריכים להיות הפרשים קטנים בין הטמפרטורות של הקרינה באזורים שונים ביקום. הסיבה לכך היא שהטמפרטורה של קרינת הרקע היא מעין "צילום" של היקום כשהיה בן כ-400 אלף שנה. כדי שיוכלו להיווצר כוכבים וגלקסיות, היו צריכים להיות ביקום הצעיר הבדלי צפיפות קלים. המקומות הצפופים יותר משכו את החומר שבסביבתם, וכך נוצרו ריכוזי חומר שמהם צמחו במשך הזמן הכוכבים, הגלקסיות וצבירי הגלקסיות שאנו רואים היום. חישוב הראה שהבדלי הטמפרטורה צריכים להיות מסדר גודל של אחד למאה אלף.

רוב החוקרים סברו שאין סיכוי לגלות הפרשים כה קטנים. אבל היה "משוגע לדבר" אחד שחשב אחרת. היה זה ד"ר ג'ורג' סמוט, (Smoot) מברקלי, שמשנת 1970 עסק במדידות של קרינת הרקע בעזרת מכשירים שהוטסו במטוסים ובבלונים. סמוט יזם מחקר לגילוי אי האחידות בקרינת הרקע. התכנון החל באמצע שנות השבעים והמחקר הסתיים בהצלחה ב-1992, כאשר לוויין מחקר בשם קובי (COBE = cosmic background explorer), שתוכנן על-ידי סמוט וצוותו, אכן גילה הבדלים מסדר גודל של אחד למאה אלף בטמפרטורת הקרינה בנקודות שונות בשמים. התוצאות סיפקו אימות מחודש ומרשים למפץ הגדול וזכו להד רב. סמוט כתב על-כך ספר מרתק בשם קמטים בזמן (יצא בעברית בהוצאת ספריית מעריב).

בעקבות הממצאים של קובי החלו אסטרופיסיקאים לבדוק באופן תיאורטי כיצד משפיעים פרמטרים שונים, כגון גיל היקום וכמות החומר ביקום, על התנודות בקרינת הרקע. הבדיקות הראו כי אפשר להפיק מהתנודות הללו מידע חשוב, אם ימדדו אותן במכשירים מדויקים יותר מאשר אלה של קובי. המפה של קרינת הרקע שסיפק קובי איפשרה לחוקרים להשוות את הטמפרטורה הממוצעת בין אזורים שקוטרם שבע מעלות קשת ויותר (במעגל השלם יש 360 מעלות). אפשר להשוות זאת לתמונת פספורט בגודל של 5?5 ס"מ, שמורכבת מריבועים בגודל של 1?1 מ"מ בשחור, לבן וגוונים של אפור. יתכן שנוכל לזהות מי מצולם בתמונה, אך ספק אם איכותה תספיק לצורך דרכון או תעודת זהות.

נאסא, שסייעה לבניית קובי והטיסה אותו לחלל, החלה לתכנן לוויין מחקר חדש למדידת קרינת הרקע. הלוויין כונה MAP (ראשי תיבות של Microwave Anisotropy Probe. אחר כך הוא כונה WMAP לזכר דייוויד וילקינסון [Wilkinson] שהיה מיוזמי MAP). כושר ההפרדה במדידות של MAP הגיע לחמישית המעלה. MAP שוגר בהצלחה ביוני 2001 וקהילת האסטרופיסיקאים ציפתה בקוצר רוח לתוצאות.

פענוח סודות הבריאה
המדידות נמשכו שנה שלמה כאשר MAP חג סביב השמש ונמצא כל העת במרחק של 1.5 מיליון ק"מ מכדור הארץ. כל פיסת שמים נדגמה כמה אלפי פעמים, בחמש תדירויות בתחום גלי המיקרו. התוצאות פורסמו בפברואר 2003 (כשבועיים לאחר אסון קולומביה שבו נספו שבעה אסטרונאוטים, בהם אילן רמון). התוצאות של MAP עלו על כל הציפיות. יחד עם תוצאות של מכשירים קרקעיים ומכשירים ששוגרו בבלונים, הן אישרו את תיאוריית המפץ הגדול והניבו ערכים מדויקים מאד של פרמטרים שונים הקשורים להתפתחות היקום. למשל, נמצא שגיל היקום הוא 13.7 מיליארד שנה, בדיוק של אחוז אחד (הערכות קודמות דיברו על 13 – 15 מיליארד שנה).

התוצאות סיפקו אישור לנוסח מודרני של תיאוריית המפץ הגדול שנקרא תיאוריית היקום התופח. לפי התיאוריה הזאת, שהוצעה ב-1981 על-יד אֶלֶן גוּת (Guth) מארה"ב, בשלב מוקדם מאד של התפתחות היקום הייתה תקופה קצרצרה של התפשטות מהירה מאד שמכונה "תפיחה" (Inflation). בתקופה זו היקום הכפיל את גודלו שוב ושוב, כמאה פעמים. אחר כך הוא המשיך להתפשט בקצב איטי בהרבה.

התיאוריה של גות עונה על השאלה המטרידה: מניין הגיעה האנרגיה הראשונית שממנה נוצרו החומר והקרינה שביקום? לפי מודל התפיחה, רוב החומר והקרינה נוצרו במהלך התפיחה, באמצעות תהליכים פיסיקליים שאנו מסוגלים להבין ולנתח. (לעומת זאת לפי המודל הסטנדרטי של המפץ הגדול, כל החומר והקרינה שממלאים היום את היקום הופיעו לפתע פתאום, יש מאין).
אפשר לומר שמודל התפיחה מסיר במידה מסוימת את מסך המסתורין מעל מעשה הבריאה.

כמה חומר יש ביקום?אנו יכולים להעריך בדיוק רב את מסת כדור-הארץ, את מסת כל אחד מכוכבי הלכת, את מסת השמש, וגם את מסתם של כוכבים רחוקים יותר, אבל האם אפשר להעריך את המסה הכוללת של היקום, או את צפיפות החומר ביקום? השאלה הזאת חשובה משום שכמות החומר והאנרגיה ביקום קובעת אם הוא ימשיך להתפשט לנצח, או שכוחות הכבידה יגרמו לכך שההתפשטות תיבלם והיקום יתחיל להתכווץ. הערך הגבולי נקרא "צפיפות קריטית". אם צפיפות החומר והאנרגיה ביקום קטנה מהצפיפות הקריטית, התפשטות היקום תימשך לעד. אם היא מעל לצפיפות הקריטית, ההתפשטות תהפוך כיוון ברגע כלשהו, ובסופו של דבר כל החומר שביקום יהיה שוב צבור באזור קטן מאד.

הממצאים של MAP פתרו את החידה. נובע מהם כי צפיפות החומר והאנרגיה ביקום שווה לצפיפות הקריטית, עם שגיאה אפשרית של פחות מאחוז. רק כארבעה אחוזים מהצפיפות הזאת עשויים מהחומר שממנו בנויים האטומים. 23 אחוזים הם חומר מסתורי שטבעו עדיין דורש בירור, והמכונה חומר אפל. עוד 73 אחוזים הם אנרגיה מסתורית, שדומה במקצת לאנרגיה שהניעה את התפשטות היקום בתקופת התפיחה. אנרגיה זו קיבלה את השם אנרגיה אפלה. האם האנרגיה האפלה היא אכן שריד של אותה אנרגייה קדמונית, או תופעה חדשה שלא הייתה קיימת ביקום הקדום? עדיין אין אנו יודעים את התשובה. נקווה שהיא תמצא בעתיד.

 

* ביום ההיפוך הקיצי: האוניברסיטה הפתוחה קיימה יום עיון בנושא אסטרונומיה וחקר החלל

האוניברסיטה הפתוחה קיימה יום עיון בנושא אסטרונומיה וחקר החלל לרגל 100 שנה לפרסום המאמר של אלברט איינשטיין על תורת היחסות (יוני, 1905) ובמסגרת אירועי שנת הפיסיקה הבינלאומית.
ההרצאות ביום העיון הציגו את הידע האסטרונומי המעודכן והמודרני המתבסס על התצפיות האחרונות מחלליות ומטלסקופים בכדור הארץ.

פרופ' יורם קירש מהמחלקה למדע הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה ידבר ביום העיון על על התגליות של החלליות COBE ו – WMAP ועל האופן שבו מתארת הפיסיקה את בריאת העולם. פרופ' אליה ליבוביץ מבית הספר לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת ת"א, סיפר על ההתפוצצות האדירה ביותר ביקום, של כוכבים הידועים בשם "מתפרצי קרינת גמא"; יגאל פתאל מהאגודה הישראלית לאסטרונומיה והאוניברסיטה הפתוחה הסביר מהם ליקויי חמה ולבנה ובפרט יציג את ליקוי החמה המלא שיתרחש בקרבת ישראל במרץ 2006; לסיום, ד"ר יואב יאיר, מהמחלקה למדעי הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה, הציג חידושים ותגליות בחקר כוכבי הלכת מאדים, שבתאי וגופים אחרים במערכת השמש.
 
 
 תקציר הרצאה ב-21.6.05) * [הערה: התקציר כבר פורסם ב"עדכן", בטאון האוניברסיטה הפתוחה]
* המאמר פורסם לראשונה באתר הידען ב- 22.6.2005 

9 תגובות

  1. 1. דחיסות:
    הפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את הגרעין, בנויים מקוורקים. הקוורקים כמו גם האלקטרונים הם חלקיקים נקודתיים. לכאורה – אין חסם לדחיסות.

    חשוב לזכור כי במימדים מספיק קטנים (מספר ניכר של סידרי גודל מתחת לגודל הנוקליאון) – יש הכרח בגרביטציה קוונטית/מיתר – ומן הזהירות יהיה ראוי לעצור הספקולציות במימדים אלו.

    2. התפשטות היקום:
    אכן, בעקרון אין דרך לבדוק באופן ישיר כיצד נעות ברגע זה הגלקסיות בקצה היקום הנראה.

    הקוסמולוגיה מציבה אתגר אפיסטמולוגי בפני המדענים שכן אין ביכולתם לבצע ניסויים במעבדה בהם בוחרים תנאי התחלה ומשווים תנאי סיום לתוצאות חזויות. היקום מציב בפנינו רק את תנאי הסיום.

    מרכיב חשוב במדע בכלל, ובקוסמולגיה על הקושי שזה עתה זוהה – בפרט: הינו הצלבה של עדויות ממקורות בלתי תלויים.

    מדידת קצב ההתרחקות של הגלקסיות הרחוקות הייתה אכן עדות יחידה לתופעת ההאצה בשנים 1998-2003, ואכן נתקבלה בספקנות.

    ב2003, עם תוצאות WMAP ו SDSS נוספו עדויות תומכות בלתי תלויות ומשכנעות.

    סך העדויות אינו מתיישב עם ייקום אשר החל או יחל להתכווץ.

    מקומית (ובסדרי הגודל של היקום, מיליוני שנות אור הן תופעה מקומית) בהחלט יתכן כי כוחות המשיכה בין ריכוזי חומר "ינצחו" ונראה תופעות כמו התקרבותה של אנדרומדה.

    2. עוד יקומים

    בשונה מהדיונים בהקשרי התפשטות היקום, התכנות קיומם של "יקומים" נוספים אינה נתמכת כיום בתוצאות ניסוייות.

    יחד עם זאת, קיימים מודלים ספקולטיביים במסגרתם בהחלט ייתכנו יקומים נוספים, ואולי אף כאלה בעלי חוקי פיזיקה שונים.

  2. מספר הערות ושאלות בסופן. אודה למי שיכול לענות
    תשובות מדעיות ואלגנטיות. תודה.

    1. החומר בנוי מאטומים ומחלקיו(פרוטונים,נויטרונים ואלקטרונים) ותתי חלקיקים.
    עד כמה שלא יהיה גדול החלל בין החלקיקים,כלומר הריקנות, אפילו אם נניח ש“החלל הבין גרעיני“ גדול
    בטריליון פעם מנפח החלקיקים עצמם,עדיין קשה להבין
    שדחיסות היקום בתחילת המפץ היתה כזו שכל החומר ביקום היה מרוכז בנקודה כל כך קטנה.

    האם אין גבול למידת הדחיסות של החומר?

    מישהו יכול להסביר ?
    2.הדעה המקובלת היום היא שהגלקסיות בורחות "החוצה"
    זו מזו,וככל שהן רחוקות יותר מהירות בריחתן גדולה יותר. נכון ? ובכן כאשר אנו רואים גלקסיה שרחוקה מאיתנו מליארד או 10 מליארד שנות אור,אנו מבינים שלפני מליארד או 10 מליארד שנה (בהתאמה)זו היתה מהירותן. איך אנו יכולים לדעת מה מהירותן כיום? האם
    לא יתכן שלפני זמן כלשהו האטו מהירותן ואולי כיום
    היקום הפך תנועתו ונמצא במצב של קריסה ? במיוחד אם לוקחים בחשבון שהגלקסיה אנדרומדה הרחוקה מאיתנו
    "רק" כ 2 מליון שנות אור דווקא מתקרבת אלינו ?

    3.תחילה חשבו שכדור הארץ הוא מרכז היקום,אח"כ שהשמש
    היא המרכז,אח"כ שיש מליארדי שמשות בגלקסיה היחידה
    ולבסוף גילינו שיש עוד מליארדי גלקסיות המסודרות בצבירים ובצבירי על.(ככל שמשתכללים הטלסקופים אנו מגלים גלקסיות רחוקות יותר).
    השאלה היא האם לא יתכן שיש עוד אלפי או מליארדי
    יקומים שאנו עדיין לא מסוגלים לראותם באמצעים שלנו היום ??

  3. לאריה – עכשיו כבר יש משהו שמסביר את האצת התפשטות היקום – ראה כתבה מ 25 לדצמבר על כוח הדחיה של הוואקום..

  4. כל תאוריה סופה להתבטל על ידי תאוריה חדשה שגם היא תתבטל על ידי תאוריה חדשה שגם היא תתבטל על ידי תאוריה חדשה וכולה וכולה לנצח נצחים

  5. הדוגמאות שלהלן , מתארות את הרעיונות של חכמי קדם , שבנוגע לסוגיות היקום :

    הפילוסוף תאלס שחי כ-600 שנים לפני הספירה, האמין, שהארץ היא שטוחה, מעין אי המוקף בים אינסופי ; תלמידו, אנכסימנדר, טען שהארץ היא דמוית גליל, המוקף בכדור מלא כוכבים.
    קצת אחריו , פיתגורס , קבע שהארץ היא כדור, המוקף ב-7 כדורי בדולח, ובתוכם השמש, הירח, כוכבי-הלכת והכוכבים הקבועים.
    תלמי ( פטולמאוס קלאודיוס ) מאה השנייה לספירה ,החליט שהארץ במרכז היקום , וסביב לה גרמי השמיים, לפי הסדר הבא: הירח, כוכב חמה, נוגה, השמש, מאדים, צדק ושבתאי , ומעבר למסלולו של שבתאי היו קבועים כוכבי-השבת.
    אריסטרכוס מסאמוס, מהמאה ה- 3, שטען שכדור-הארץ סובב סביב השמש, כפי שאנו יודעים היום; תפיסתו החדשנית שעמדה בניגוד למקובל באותה תקופה, הושמה ללעג ובוטלה מכל וכל , וקביעתו של תלמי לא רק שלא נתערערה – שרדה כ – 1500 שנים .
    לאחר שאומצה תורתו של קופרניקוס , החלו תיקונים כמו אלה של קפלר , שטען ( טענתו אומתה כידוע ) כי תנועת כוכבי הלכת סביב השמש , אלפטית ולא מעגלית ; כמו כן , לאחר פיתוח טלסקופים מתקופת גליליאו , נקבע כי יש רק גלקסיה אחת , שמכילה את כל הכוכבים , שרואים בשמיים .

    הקוסמולוגיה התפתחה כמדע , לאחר הצגת תורת היחסות של אלברט איינשטיין , ועם גילוי ההסטה לאדום על ידי אדווין האבל שמסקנתה הייתה התפשטות היקום , וגילוי קרינת הרקע הקוסמית על ידי פנזיאס ו-ווילסון ב-1964 חוזקה תאורית המפץ הגדול.

    לסיכום : המאפיין הברור לכל תיאוריות היקומים הנ "ל , כולל תורת המפץ הגדול עם כל התיקונים והחיזוקים , שפותחו על מנת לאשש אותה סופית
    ( תזכורת : גם קפלר עשה באמצעות שלושת החוקים שלו , תיקונים חשובים , ומהפכנים לתקופתו .) , שבויות , ומגבילות את עצמן בהגדרת היסוד שניסוחה :

    1 . היקום הוא כל מה שיש, ואין דבר מחוצה לו. קצה היקום הוא קצה המרחב. הוא אחד, והכל נמצא בתוכו.

    2 . ככל שנתרחבו היקומים של התורות הנ"ל , כן התרחבו יכולולותיו של האדם בכל תחומי המדע השונים .

    3 . הקושי הקיים בתקופותנו , להרחיב את היקום שמעבר ל- 13 ,14 מיליארד שנות אור ; את המימדים העצומים האלה , קשה לתחום אותם בתיאור של בקושי נקודה מיקרוסקופית , כאשר משווים את גודלם , לאין סוף ; קושי זה מתחזק כמו לדוגמא , לאור הקושי הנוסף , להבין איך האדם בגודלו , ביחס לגודל נמלה , הוא אפילו לא בגודל מעין זה .

  6. העניינים לא כל כך פשוטים בקשר להתפשטות היקום. בשנים האחרונות התברר שהגלקסיות המתרחקות דווקא מאיצות במקום להאט או לנוע במהירות קבועה. אין עדיין הסבר מניח את הדעת לתופעה שמקובלת על דעת האסטרופיזיקאים.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן