תחילתו של עידן הקוסמולוגיה המדויקת

הלוויין MAP נכנס באחרונה למסלול שממנו ימדוד את קרינת הרקע הקוסמית – המפתח לקביעת הערכים הבסיסיים של היקום

מאת: יואל רפאלי

סוכנויות החלל האמריקאית (נאס”א), האירופית והיפאנית שיגרו עד כה לווייני מחקר רבים למדידת קרינות מפלנטות, כוכבים וגלקסיות, כדי להעמיק את הידע על גרמי השמים. ב-30 ביוני2001 נאס”א שיגרה לוויין שני לחקר קרינת הרקע הקוסמית -. Microwave Anisotropy Probe מטרת שיגור זה גרנדיוזית במיוחד: איכותן הגבוהה של מדידות MAP אמורה לאפשר קביעה מדויקת מאוד של טבעו של היקום, גודלו, גילו והרכבו החומרי-אנרגטי. או אז תיפתרנה החידות היקומיות הגדולות ויחל עידן הקוסמולוגיה המדויקת.

קרינת הרקע הקוסמית בתחום תדירויות המיקרוגל היא שארית קרה מעברו הלוהט של היקום. הקרינה היא העמוד המרכזי שעליו נשען המודל המקובל בתורת היקום – מודל המפץ הגדול. על פי מודל זה, היקום הבראשיתי היה צפוף וחם ביותר באופן שהחומר והקרינה בו היו במצב פיסיקלי הידוע כשיווי משקל תרמו-דינמי. במצב זה שדה הקרינה, שאפשר לתארו על ידי תלות עוצמת הקרינה בתדירות הגל (כלומר, המנעד), נקבע באופן מלא על ידי הטמפרטורה הזהה של החומר והקרינה. למנעד אז צורה אוניוורסלית (המוכרת טכנית כעקומת פלנק של “גוף שחור”). עובדה מעניינת היא שצורה זו לא משתנה גם כאשר היקום המתפשט נעשה דליל וקר, ואינו עוד בשיווי משקל. יתרה מזאת, על פי התורה הקוסמולוגית המקובלת, שדה הקרינה ביקום המוקדם מאוד היה אחיד ביותר, כך שעוצמת הקרינה – ולכן הטמפרטורה – בכיוונים שונים בשמים היתה זהה, עד כדי דרגת דיוק אדירה. יחד עם זאת, כדי להסביר יצירת כוכבים וגלקסיות, ואת המבנה הנראה של היקום, נדרשת בתורה הקוסמולוגית מידה קטנה (תחילה) של אי-אחידות, כך שטמפרטורת הקרינה שונה במעט בכיוונים שונים בו.

הקרינה נמצאת ביקום כולו והיא עתיקת יומין: בעזרתה אנו יכולים ללמוד על היקום הראשוני, כאשר גילו היה רק כ-300 אלף שנה, חלק קטן ביותר מגילו כיום, 20-13 מיליארד שנה. בתקופה זו, המכונה “עידן השיחבור”, חלקיקי הקרינה (הפוטונים) נוצרו בפעם האחרונה, כאשר האלקטרונים והפרוטונים השתחברו ליצור אטומי מימן. עד אז התקיים קשר הדוק בין החומר לקרינה באופן שפוטונים נוצרו ונבלעו באופן תדיר. בעידן השיחבור התבטל הצימוד בין חומר וקרינה, ועידן זה מהווה גבול ליכולתנו ל”ראות” את היקום המוקדם. מכיוון שהשפעת החומר על הקרינה היא בעיקר על ידי פיזורה, האזור שבו הקרינה התנתקה מהחומר ונעה באופן בלתי מופרע מאז נקרא גם “משטח הפיזור האחרון”.

התהליכים שקרו בעידן השיחבור מטביעים חותם ייחודי ואופייני על ההתפלגות המרחבית של הקרינה. מצב זה שקול במידת מה לפליטת אור מפני השמש. ניתוח תכונות אור השמש מאפשר לקבוע את הטמפרטורה על פניה, וכן גם להעריך את צפיפות החומר בקליפה החיצונית של השמש. באופן דומה אפשר ללמוד על תכונות החומר והקרינה ביקום בשלב שבו הקרינה התנתקה מהחומר ונעה באופן חופשי ללא בליעה או פיזור, עד למכשיר המדידה על פני כדור הארץ. בעוד שמיפוי ההתפלגות המרחבית של הקרינה על פני אזורים גדולים מאפשר ללמוד על הרקע היקומי שבו הקרינה נעה עד אלינו – לדוגמה, על עקמומיות המרחב היקומי – הרי שמדידה של ההתפלגות על פני אזור קטן, אזור שהיה כל היקום הנראה בעידן השיחבור, מאפשרת קביעת צפיפות החומר הרגיל וגדלים חשובים נוספים.

,COBE הלוויין הקוסמולוגי הראשון, שוגר על ידי נאס”א ב-.1989 אחד ממכשירי המדידה על הלוויין מדד באופן מדויק להפליא את מנעד הקרינה. ההתפלגות שנמדדה התאימה במדויק לעקומת פלנק. תוצאה זו היא חשובה ביותר, גם אם אינה מפתיעה. חשובה יותר היתה מדידת ההתפלגות המרחבית של הקרינה על פני השמים על ידי מכשיר אחר (DMR). מכשיר זה מדד את טמפרטורת הקרינה בכיוונים שונים בשמים וגילה, בפעם הראשונה, שיש אי-אחידות קטנה – בשיעור של אחד למאה אלף – בערך הטמפרטורה בכיוונים שונים. מדידה רגישה זו התאפשרה על ידי מיפוי של כל השמים במשך כארבע שנים. מדידות על פני תקופה ארוכה כל כך מאפשרות למזער את “רעשי המדידה” השונים ולהסיק את גודל הסטייה מאחידות באופן סטטיסטי בדרגת מובהקות גבוהה מאוד.

חשיבות מדידות אלה של COBE היא רבה מאוד: תוצאותיהן מבססות באופן יסודי ומשמעותי את תורת המפץ הגדול. כשפורסמו התוצאות הראשונות של עיבוד הנתונים ב-1992 והיה ברור שנתגלתה סוף סוף האי-אחידות הצפויה בהתפלגות המרחבית של הקרינה, ההתלהבות בקרב הפיסיקאים היתה כה רבה שחלקם הכתיר את הגילוי כאחת התוצאות המדעיות החשובות ביותר במאה העשרים. ההצלחה הגדולה של COBE הביאה להתפתחות מרשימה ביותר במחקר בקוסמולוגיה בכלל, ובחקר קרינת הרקע בפרט. מאז תחילת שנות התשעים, מערכות מדידה (טלסקופ המצויד בגלאים רגישים) רבות מדדו את המבנה המרחבי של הקרינה בתחום תדירויות הולך ומתרחב, וחשוב יותר – ביכולת הפרדה (רזולוציה) מרחבית הרבה יותר גבוהה מזו של COBE.

מדידות COBE התמקדו באפיון המנעד וההתפלגות המרחבית של הקרינה על פני
אזורים גדולים בשמים. כדי לקבוע באופן יותר מפורט את הרכב החומר ביקום ואת הגדלים הבסיסיים הקובעים את אופן התפתחותו ממצב של אחידות כמעט מלאה ביקום הבראשיתי למבנהו הנראה כיום, יש צורך במדידות התפלגות הקרינה על פני אזורים הרבה יותר קטנים. עדות תצפיתית ישירה לתהליכים הפיסיקליים שקרו בשלב מעבר היקום ממצב שבו החומר הרגיל בו היה חם ומיונן למצב בו החומר נהפך לאטומים של מימן והליום – תהליכים שמתרחשים בעיקר באזורים שקוטרם הזוויתי הוא קטן – תאפשר לנו לקבוע בצורה הרבה יותר מדויקת מהי צפיפות החומר הרגיל, החומר האפל, ותרומות אפשריות נוספות לצפיפות המאסה-אנרגיה ביקום. החשיבות בידיעת צפיפויות אלה אינה טכנית גרידא: תורת היחסות הכללית של איינשטיין כורכת באופן מלא ומדויק את אופיו הגיאומטרי (מרחב שטוח או עקום), גודלו (סופי או אינסופי) וקצב התפשטותו (האטה או האצה) של היקום בתוכנו החומרי-אנרגטי.

כאמור, היתה התפתחות רבה בדרגת הדיוק של מדידות קרינת הרקע מאז ,COBE, בעיקר על ידי העלאת מערכות מדידה על כדורים פורחים לגובה של כמה עשרות ק”מ. במדידות מגבהים אלה בליעת הקרינה על ידי האטמוספירה היא הרבה יותר קטנה מאשר על פני הקרקע. התוצאות החשובות ביותר התקבלו על ידי שתי מערכות מדידה דומות – MAXIMA ו– BOOMERANG אשר מדדו את הקרינה בתחום רחב של תדירויות. מדידות BOOMERANG בוצעו במשך 10 ימים (בתחילת ינואר 1999) כאשר הכדור הפורח חג מעל אנטארקטיקה סביב הקוטב הדרומי. על פי הנתונים ממדידות אלה אפשר לקבוע בצורה הרבה יותר מפורטת את ערכי מרב הגדלים הקוסמולוגיים החשובים – צפיפות החומר האפל, תרומת הקבוע הקוסמולוגי לצפיפות האנרגיה, צפיפות החומר הרגיל, אופי מנעד האי-אחידות הראשונית, וגדלים אחרים. חשובה במיוחד המסקנה הבסיסית מתוצאות אלה ואחרות: היקום אינסופי, ומרחבו שטוח.

הצלחה זו מעוררת את השאלה האם היה צורך בשיגור MAP, שעלותו הרבה יותר גבוהה, כמובן, מעלות שגור כדור פורח, אם אפשר באופן זה להשיג אותן מטרות מדעיות. התשובה היא שאכן אפשר להשיג חלק ממטרות המחקר תוך שימוש בכדורים פורחים, אך עדיין יש צורך רב במדידות על פני תקופה ארוכה יותר – כמה שנים, לעומת עשרות ימים – ומיפוי הרבה יותר נרחב ומלא של השמים. אלה הן מעלותיו העיקריות של MAP בהשוואה למדידות מכדור פורח.

לפני כחודשיים, ב-1 באוקטובר, MAP הגיע לנקודה המרוחקת כ-1.5 מיליון ק”מ מכדור הארץ בצדו השני של הקו כדור הארץ-שמש (ראו איור). הלוויין נכנס למסלול סביב נקודה זו באופן שמרחקו מכל אחד מגופים אלה הוא קבוע (נקודה זו נקראת לגרנז' L2). לתנועה במסלול זה יש יתרונות חשובים מאוד: מכשירי המדידה יכולים להיות מכוונים תמיד הלאה מהשמש, כדור הארץ והירח גם יחד, והמרחק הקבוע מגופים אלה (שעוצמת הקרינה מהם הרבה יותר גבוהה מזו של קרינת הרקע הקוסמית) מאפשר ביצוע מדידות בסביבה קרינתית קבועה, ובתנאי טמפרטורה אחידים. זו פעם ראשונה שלוויין של נאס”א נמצא במסלול שמרחקו מכדור הארץ הוא כה גדול. מכשירי הלוויין החלו כבר במדידות ראשוניות של קרינת הרקע. המדידות מתוכננות להימשך כ-27 חודשים, כאשר הלוויין משלים מיפוי מלא של השמים כל חצי שנה.

פרופ' רפאלי הוא יו”ר החוג לאסטרופיסיקה באוניברסיטת תל אביב