הידען קלאסיק – היקום – סר ברנרד לוול

המחקר האסטרונומי ריתק את הדמיון האנושי במשך כל הדורות. המעבר מהאמונה כי הארץ היא שטוחה אל הידיעה כי היא כדור עגול, שניתן להקיפו, היה קשה ביותר

סר ברנרד לוול

המחקר האסטרונומי ריתק את הדמיון האנושי במשך כל הדורות. המעבר מהאמונה כי הארץ היא שטוחה אל הידיעה כי היא כדור עגול, שניתן להקיפו, היה קשה ביותר.

ההוכחה החזותית לכדוריותו של הארץ הושגה למעשה רק ב-(50) * השנים האחרונות, בעזרת תצלומים שנעשו מתוך מטוסים מגביהי-טוס ולוויינים מלאכותיים, במאות ה-19 וה-20 הבשילה ההכרה, כי כדור-הארץ אינו קבוע במרכז היקום, ותפיסה חדשה זו הייתה מהפכה בחשיבה המדעית, עד אז הייתה מקובלת על האסטרונומים התיאוריה התלמאית מן המאה ה-2 לספירה, שהניחה כי כדור-הארץ קבוע במרכז מערכת הגופים השמימיים. על-פי תיאוריה זו, כל כוכב-לכת נע במסלול מעגלי, בעל רדיוס קטן, שמרכזו נע סביב לכדור-הארץ בתנועה מעגלית ותנועה אפיציקלית).
כאשר העלה קופרניקוס, לפני כ-500 שנה, את הרעיון כי הארץ מסתובבת סביב השמש, הכריז לותר כי “שוטה זה יהפוך את מדע האסטרונומיה על פיו, הרי כתבי הקודש מספרים כי יהושע ציוה על השמש, ולא על הארץ, לעמוד דום”, ב-1588 כתב קופרניקוס כי “מה שנראה לנו כתנועת השמש אינו נובע מתנועתה שלה, כי אם מתנועת הארץ”.
תורתו ההליוצנטרית, שפורסמה ב-1543, מהוה צעד חשוב בהתפתחות החשיבה האנושית, התורה הקופרניקאית שללה מהארץ את מעמדה כגוף הקבוע במרכז מערכת השמש, ועם התפתחות הטלסקופים והשתכללותם במשך המאות שלאחד מכן הופנתה ההתעניינות המדעית אל הכוכבים.
מעניין לציין, כי במשך כ-400 שנה לאחר המהפכה הקופרניקאית עדיין האמינו כי מערכת השמש נמצאת במרכז היקום. רק בעשור שלאחר 1918 השתנתה התפיסה שלפיה האדם נמצא במרכז היקום, באותו עשור חלה התקדמות משמעותית בהבנתנו את מבנה שביל החלב ואת סוד היקום בכללו. התקדמות זו התאפשרה תודות לגילוי שיטות למדידת מרחקיהם של כוכבים המרוחקים מאוד ממערכת השמש.

במאה הקודמת (ה-19, לגבי כותב המאמר) נמדדו מרחקיהם של הכוכבים הקרובים בשיטה טריגונומטרית ישירה, על-ידי מדידת תזוזתם של כוכבים אלה ביחס לרקע של כוכבים חוורים, כאשר הארץ נמצאת במקומות שונים במסלולה סביב השמש, עם זאת, גם משהשתכללו טכניקות הצילום, אפשר היה למדוד בשיטה זו רק מרחקים של עד כמאה שנות אור, ולקבוע את מרחקיהם של כמה אלפי כוכבים בלבד.
תגליתה של הנרייטה לויט (1868-1921) מאוניברסיטת הרוורד ב-1912, על היחס בין מחזור ההשתנות ובין עוצמת האור הנראית של כוכבים משתנים מסוג קפאידים, והכיול של הדלו שיפלי (1885-1972), במונחים של עוצמת אור מוחלטת, הביאו מיד להגדלת טווח המדידה האפשרי. בעקבות זאת חלה במהרה מהפכה בהבנתנו את מבנה היקום בכללו.

שיפלי חקר את המשתנים הקפאידים בצבירי כוכבים כדוריים. עד 1918 הספיק למדוד את מרחקיהם של 25 מתוך 100 הגופים מסוג זה שהיו ידועים אז, ומצא כי -מרחקיהם מהשמש גדולים מאוד – מ-5,000 ועד 100,000 שנות אור. הצבירים אינם מפוזרים בשמיים בצורה אחידה – כשליש מהם מרוכז בקרבת ענן הכוכבים שבמזל קשת (סגיטריוס). שיפלי הסיק מכך, כי השמש רחוקה מאוד ממרכז מערכת הכוכבים של שביל החלב (הגלקסיה שבה אנו נמצאים). עבודתו, סתמה את הגולל על התפיסה הגיאוצנטארית, המעמידה את האדם במרכז היקום -100 מיליארד הכוכבים שבמערכת שביל החלב אינם מסודרים בצורה סימטרית מסביב לכדור-הארץ, הכוכבים יוצרים דסקה שטוחה, שקוטרה כ-100,000 שנות אור, והשמש נמצאת במרחק 32,600 שנות אור ממרכזה, אסטרונומית הרדיו איפשרה לחקור את גז המימן הניטרלי שבגלקסיית שביל החלב.
הממצאים הצביעו על כך, שמבנה הגלקסיה שלנו הוא לולייני, אך הם עוררו הרבה בעיות חדשות, מקובל עלינו שהגלקסיה מסתובבת כאשך הזרועות הלולייניות, עוקבות אחר הסיבוב כמו נוזל צמיג, בשל מרחקנו ממרכז הגלקסיה, מחזור הסיבוב שלנו הוא בן 210 מיליון שנים. לגוף שמרחקו מן המרכז הוא עשירית ממרחקנו יש מחזור סיבוב בן כ-28 מיליון שנים בלבד. אנו יודעים כי מתוך המסה הכללית של הגלקסיה השקולה 2 כפול 10 בחזקת 11 שמשות, רק כ-2 אחוזים הם גז ואבק. רוב החומר הזה (כמעט 99 אחוזים) הוא מימן ניטרלי. אך פיזורו הבלתי-סדיר של גז זה, וגילוין, זה לא מכבר, של מולקולות מורכבות אחרות (לרבות מולקולות מים), מעוררים תהיות. אחד המאפיינים החשובים של מבנה הגלקסיה הוא, כי בחלקיה הפנימיים מהווים הכוכבים את רוב המסה – בתוך רדיוס של 2,000 שנות אור מהוה הגז אחוז אחד בלבד מכלל המסה, לעומת זאת, בזרועות הלולייניות, שבהן שוכנת השמש שלנו, היחס שונה לחלוטין – רוב הכוכבים הם צעירים וכחולים, והגז מהוה כ-20 אחוזים מהמסה הכללית. הסיבה לשוני זה אינה ידועה עדיין.

תצפיות הנעשות כיום בענני הגז שבזרועות הלולייניות מספקות הוכחות משכנעות להיווצרות כוכבים צעירים בעננים אלו. תוצאות המדידות, שנעשו בטלסקופי רדיו הפועלים בתחומי גל קצרים מאוד, הן לפיכך בעלות חשיבות מיוחדת. אטומי מימן ניטרלי פולטים קו ספקטראלי באורך גל של 21 ס”מ. בדומה לכך יש למולקולות אחרות קוים ספקטראליים אופייניים להן, אך עד לעת האחרונה לא שיער איש כי אפשר להוכיח את מציאותן בחומך הבין-כוכבי. ב-1963 נתגלה רדיקל ההידרוקסיל (H0), ובשנים 1969-1972 אובחנו הקוים הספקטראליים האופייניים של 15 מולקולות אחרות.

מאז ועד היום עולה בהתמדה מספר המולקולות השונות שנתגלו בחומר הבין כוכבי. נולד תחום חדש של אסטרו-כימיה, והונח בסיס מדעי להשערות כי חיים אורגנים עשויים להתפתח גם במקומות אחרים ביקום.
מדידותיו של שיפלי בצבירים הכדוריים בשנת 1918 – שגרמו לשינוי מהפכני כה מהיר בהבנתנו את מערכת שביל החלב, אך גם עוררו בעיות קשות שלא נפתרו עד היום – היו אחת משתי התגליות הגדולות בשנים שלאחר מלחמת העולם הראשונה. בעזרת טלסקופ ה-100 אינטש (254 ס”מ) שבהר וילסון הצליח אדוין האבל (1889-1953) להוכיח לראשונה, בצורה חותכת, כי גלקסיית שביל החלב אינה מהווה את היקום כולו.
במשך כמאה שנה קודם לכן שיערו האסטרונומים כי כמה מן הערפיליות שנראו בשמים הן מערכות כוכבים הנמצאות מחוץ לשביל החלב, אך רק היכולת למדוד מרחקים באמצעות המשתנים הקפאידים, היא שאפשרה לאשר השערות אלה. ב-1926 פרסם האבל נתונים על אודות 400 מערכות כוכבים, שבהן מדד את עוצמת האור במשתנים קפאידים; הוא מצא כי הן נמצאות במרחק רב משביל החלב. ההוכחה שסיפק האבל לאופיין החוץ-גלקטי של מערכות כוכבים אלה היא אחד המאורעות החשובים ביותר בהיסטוריה של האסטרונומיה. חשיבות דומה נודעת גם לתגליתו בדבר היחס שבין מרחק מערכות אלו לבין ההסחה לקצה האדום של הספקטרום בקוים הספקטרליים שלהן. בפרשו את ההסחה לאדום כתוצאה של אפקט דופלר, מצא כי מהירות ההתרחקות גדלה ביחס ישר למרחק, בכך הניח את הבסיס התצפיתי לתיאוריה בדבר התפשטותו של היקום.
כאשר פרסם האבל את התוצאות האלו הוא העריך, כי רגישותו של טלסקופ ה-100 אינץ’ שבהר וילסון
מאפשרת לחדור אל תוך היקום לעומק של 140 מיליון שנות אור, תחום זה מכיל כשני מיליון מערכות
חוץ-גלקטיות, ומהירות ההתפשטות שם היא כ-3,000 ק”מ בשנייה, תוצאות שפורסמו ב1975, ושהושגו באמצעות הטלסקופ האנגלו-אוסטרלי בסידינג ספרינג שבניו סאות וילז, אוסטרליה, מתייחסות למערכות שאורן קלוש בחמישה גדלים (מגניטודות) לפחות מהגופים הקלושים ביותר שמדד האבל, מספר הגופים החוץ-גלקטיים הניתנים לתצפית הוא כ-100 מיליון, ומספר זה הולך וגדל עם הקלישות – הוא מוכפל או אף משולש עם כל גודל שפוחת.
האבל מצא כי הערפיליות החוץ-גלקטיות הן בעיקר משני סוגים : אליפטיות ולולייניות (ספיראליות); הגלקסיות האליפטיות והכדוריות, שאין להן מבנה מוגדר, מהוות כחמישית מכלל הערפיליות שמדד; כל יתר הגלקסיות, למעט מספר קטן של גופים בלתי סדירים, סווגו כגלקסיות לולייניות, האבל טען כי הגלקסיה מתפתחת מצורה אליפטית לצורה לוליינית, אולם הגילוי כי רוב הכוכבים בגלקסיות האליפטיות הם זקנים, בעוד שבזרועות הגלקסיות הלולייניות יש כוכבים צעירים, הטיל ספק בנכונות טענה זו. תצפיות בטלסקופ רדיו שנעשו בשנות החמישים הפריכו אותה לחלוטין.
עידן התהיות החדש החל ב-1951, כאשד מקור רדיו חזק בברבור (סיגנוס) זוהה עם גוף מיוחד במינו, שנראה בצילום מטלסקופ ה-200 אינץ’ (508 ס”מ) שבהר פלומר, מדידת ההסחה לאדום של גוף קלוש-אור זה גילתה, כי הוא מרוחק כ-700 מיליון שנות אור, ודמותו הכפולה הצביעה על האפשרות שמדובר בהתנגשות בין שתי גלקסיות. עם הגילוי המהיר של גופים נוספים כאלה, שהוכרו כגלקסיות רדיו, וההבנה כי כמויות אנרגיה עצומות מעורבות בכך, נזנח רעיון ההתנגשות. גלקסיות רדיו רבות כוללות שני מקורות קרינה חזקים, הנמצאים משני עברי הגוף הנראה, מה שמצביע על התרחשות פעילה ביותר בגרעין הגלקסיה, עוצמתה החזקה של קרינת הרדיו המריצה את זיהוים האופטי של גופים רחוקים נוספים. ב-1959 הגיעו האסטרונומים להישג חשוב, עם הזיהוי האופטי של גלקסיה בקבוצת הכוכבים רועה (בוטס), שההסחה שלה לאדום מצביעה על התרחקות במהירות שהיא ,40% ממהירות האור, ועל מרחק של 4,500 מיליון שנות אור..
הניסיון למצוא גופים רחוקים עוד יותר הביא לתגליות מפתיעות. ב-1960 זוהו בתצלומים גופים הנראים ככוכבים לכל דבר, שעל-פי תכונות הרדיו שלהם מרחקם רב יותר ממרחקן של הגלקסיות הידועות הרחוקות ביותר. אפיינה אותם קרינה חזקה בתחום הכחול של הספקטרום, ובמשך כשנתיים סברו כי זהו סוג חדש של כוכב בתוך שביל החלב. אולם באביב 1963 הצליח שמידט, ממצפה הכוכבים שבהר פלומר, לזהות את קוי הספקטרום של אחד מגופים אלה. התברר כי הם אינם שוכנים בשביל החלב, אלא הרחק ממנו; גופים אלה, הם בעלי הסחה לאדום הגדולה ביותך שנמדדה עד אז, הם כונו “קואזרים” (גופים דמויי כוכב), ומאז התגלו כ-500 מהם (הספר נכתב בשנות השמונים), לרובם הסחה לאדום המעידה על מהירות התפשטות הגבוהה ממחצית מהירות האור, ובכמה מקרים אף עולה על %80 ממהירות זו. קביעת מרחקם של הקוואזרים תלויה במודל הקוסמולוגי שבו נבחר, אך אם נצא מההנחה, השנויה במחלוקת (לדעת המחבר בזמנו כמובן), שההסחה לאדום נובעת רובה ככולה מההתפשטות הקוסמית של היקום, נמצא כי מרחק זה מגיע לכ-7 מיליארד שנות אור.
איננו מבינים כיצד מפיקים הקוואזרים כמות אנרגיה רבה כל-כך – במיוחד לאור העובדה שברבים מהם נראה, שהאנרגיה נוצרת באיזור קטן מאוד בקנה-מידה אסטרונומי. הועלו השערות בדבר קריסה גרביטציונית ובדבר מציאותו של חומר צפוף מאוד בגרעיניהם של הקוואזרים. ראוי לציין, כי קואזרים וגלקסיות רדיו, שבימיו של האבל אף לא עלו בדמיון, ממלאים כיום תפקיד מכריע בניסיוננו להבין את מבנה היקום.
שיעור ההתפשטות הנוכחי של היקום מוביל למסקנה, כי לפני כ-10 מיליארד שנה היה החומר ההיולי של היקום צפוף מאוד, במקרה זה ייתכן שנוכל לגלות את ההיסטוריה הקדומה של היקום מתוך התבוננות בקואזרים, המאפשרים “מבט לעבר” עד לזמן שבו גיל היקום היה כרבע מגילו היום. הנסיונות לפרש תצפיות אלו בתוך מסגרת קוסמולוגית הביאו למחלוקת חריפה, במיוחד בין חסידי תאוריית “המצב העמיד” לבין חסידי תאוריית “המפץ הגדול”. מכל מקום, עדות חשובה, וככל הנראה מכרעת, הגיעה ב-1965 ממקור בלתי-צפוי ושונה לחלוטין. באותה שנה בדקו מדענים במעבדות חברת הטלפונים בל שבניו-ג’רזי, ארצות-הברית, את ציוד התקשורת שלהם, שנועד לשימוש בלויין התקשורת האמריקני. בבדיקה זו של אותות שהתקבלו מן השמיים נתגלה, כי רמת הרעש של אותות שהתקבלו מן השמיים היתה גבוהה פי 100 מזו שציפו לה; יתרה מזו, עוצמת האות הייתה אחידה בכל חלקי השמיים. המדענים טענו כי האותות הם שרידי הקרינה ממצבו הראשוני הלוהט והצפוף של היקום, לפני כ-10 מיליארד שנה. טענה זו אושרה מאז בבדיקות רבות באמצעות טלסקופי רדיו.
נראה כי עתה מצויה בידינו עדות ישירה על מצב היקום שניות אחדות לאחר תחילת התפשטותו, כאשר טמפרטורת החומר ההיולי היתה אלפי מיליוני מעלות. ההנחה, כי היקום החל להתפתח ממצב בראשיתי דחוס מאוד, נכללה ב-1915 בתורת היחסות של איינשטיין, אולם ההוכחה התצפיתית לכך היא בעיה קשה. הייחודיות של משוואות תורה זו, המעלה שבזמן אפס היו ממדי היקום אפסיים וצפיפותו אינסופית, נחשבה תכופות לקושי מתמטי, הנובע מההנחה כי היקום הוא הומוגני, אך מדידות שרידי הקרינה מלמדות עתה, שמידת ההומוגניות של היקום היא אכן גבוהה ביותר. במסגרת חוקי הפיסיקה הידועים כיום, אפשר לדמות מצב פיסי שבו היה החומר ההיולי כולו דחוס ביקום שרדיוסו עשר בחזקת מינוס 33 סנטימטר – המצב שהיה קיים עשר בחזקת מינוס 43 שניות לאחר תחילת ההתפשטות. מעבד לנקודה זו ניצבות התיאוריות העכשויות בפני מחסום, המונע מהן לתאר את המצב הפיסי בראשית הזמן. אם אכן זהו מחסום יסודי לתיאור מדעי של מצבו הבראשיתי של היקום – לשאלה זו חשיבות ראשונה במעלה.
האם ימשיך היקום להתפשט לנצח, או שמא בבוא היום יקרוס חזרה למצב דחוס מאודי תשובה לשאלה זו תתקבל ממבחנים תצפיתיים מוגדרים, שיענו על שאלות כמו האם היחס הישיר הקיים בין ההסחה לאדום לבין המרחק בטל במרחקים גדולים? האם צפיפות החומר ביקום גדולה משתיים כפול עשר בחזקת מינוס 29 גרם לסמ”ק, או קטנה מערך זה? האם בצפיפות גדולה מזו יגברו בסופו של דבר כוחות הכבידה על ההתפשטות, והיקום יקרוס תחתיו? אך יישום מבחנים מסוג זה רצוף קשיים שעדיין לא התגברנו עליהם, ולמרות כל חידושי הטכנולוגיה אין התשובות ידועות עדיין.
ההתקדמות העצומה שחלה בהבנתנו את היקום, מקורה ביכולתנו לחקור אותו בתחום נרחב של הספקטרום. הצעד הגדול הראשון נעשה מיד לאחר מלחמת העולם השניה, כאשר פותחה טכניקת אסטרונומית הרדיו. עם שיגור הספוטניק ב-1957 החל עידן חדש, שבו נתאפשר שליחת מכשירי מדידה אל החלל ואפשר היה להתגבר על בליעת הקרינה על ידי האטמוספירה של כדור הארץ. כך נפתח לתצפיות כל תחום הספקטרום הכולל את קרני ה-X, הגמא וגלי הרדיו הארוכים. אולם כבר מהתצפיות הראשוניות היה ברור, שאפשר לחזות בבטחון רק דבר אחד: תיאור היקום על כל מרכיבו ימשיך להשתנות בהתמדה, כפי שאירע במאות שעברו.

* סר ברנרד לוול היה חבר החברה המלכותית, פרופסור לרדיו אסטרונומיה, אוניברסיטת מנצ’סטר; מנהל התחנה הניסויית ג’ורדל בנק. המאמר התפרסם באלבום “החלל” בהוצאת מסדה, 1983. המאמר משמש כמבוא לספר ומובא כאן לצורך תיעוד.

* תודה לאלי בן דוד על התיקונים לטעויות שנבעו מהסריקה. טעויות רבות במיוחד במאמר זה עקב הפונטים הקטנים בהם נכתב במקור.