מהו הכוח המבריח את הגלקסיות?

היקום מכיל מיליארדי גלקסיות ובכל אחת מהן מיליארדי שמשות. מכל גלקסיה נראות כל האחרות ‘בורחות’ במהירות (הגדלה עם המרחק) של כ25- ק”מ בשנייה לכל מיליון שנות אור. הבריחה החלה במפץ הגדול לפני כ12- מיליארד שנה. ב1998- התברר שעדיין פועל כוח המאיץ ומגביר את קצב

פרופ’ יובל נאמן, באדיבות מערכת “ראש גדול”

שנת הנס והקוסמולוגיה

בפיזיקה לא נהוג לדבר על נסים, ובכל זאת מכנים הפיזיקאים את 1905 “שנת הנס”;. אלברט איינשטיין פרסם אז חמש עבודות ששינו את פני הפיזיקה המודרנית, ביניהן תורת היחסות הפרטית. מאז ועד שנת 1915 השקיע עצמו איינשטיין בבניית תורת היחסות הכללית, שהחליפה את תורת הכבידה של ניוטון ועיצבה את מדע הקוסמולוגיה.
תורת הכבידה של ניוטון הסבירה את יחסי המשיכה המתקיימים בין גופים ביקום כמותנים במסה שלהם ובמרחק שביניהם. תורת היחסות הכללית הכניסה למשחק את רעיון המרחב העקום כמשפיע על תנועה הדדית של גופים ועל מהירותם.
בעיקרון מהווה תורת ניוטון קירוב מצוין למחליפתה האיינשטיינית, כל עוד המהירויות אינן קרבות למהירות האור וכל עוד שדה הכבידה “חלש”. שדה כבידה נחשב ל”חזק” בהקשר זה, אם עוצמתו קרובה למה שנדרש להיווצרות חור שחור.
לשמש שלנו למשל, שהרדיוס שלה הוא 500,000 ק”מ יש שדה כבידה “חלש”. אילו היא היתה קורסת עד לרדיוס של 2 קילומטר, היא היתה הופכת לחור שחור.
תורת היחסות של איינשטיין צברה אימותים מאז שהוצגה, התקבלה בקהילה המדעית ולאורה החלו האסטרופיזיקאים בפענוח מבנה היקום ומגמת התפשטותו.

מה זה הקבוע הקוסמולוגי?
כשניגש איינשטיין לבעיית היקום, הוא הניח שאפשר להיעזר בקירוב (מודל) שבו הכוכבים הם מעין 'גרגרי אבק' ואז לחשב את הכוחות בתוך האבק הזה*.
היה ברור שבדינמיקה של ניוטון זוהי מערכת בלתי יציבה שבה כולם מושכים את כולם ויקום כזה יקרוס תוך מעיכה הדדית.
איינשטיין יצא מנקודת הנחה שהיקום באופן כללי יציב ולכן בדק במשוואות את האפשרות שמצוי בו גורם שמסוגל לאזן את כוחות המשיכה ולייצב את המערכת. ואכן בתורת הכבידה החדשה קיים איבר שבאפשרותו לייצג דחייה והוא קרוי ‘הקבוע הקוסמולוגי’. אבל, כאן מתחילים העניינים להסתבך, מאחר שגודלו הקבוע של ה’קבוע הקוסמולוגי’ מקשה עליו למלא את תפקיד המייצב. זאת בגלל תזוזתם הבלתי פוסקת של ה’גרגרים’ (הגלקסיות, כזכור), המשנה ללא הרף את המרחקים ביניהם, וכך משתנים כוחות המשיכה שהקבוע ‘הבלתי משתנה’ אמור לאזן.

החלל המתפשט
האם שתי הברירות היחידות העומדות בפני היקום הן או לקרוס או להתפשט לנצח? בשנת 1922 הראה חוקר אטמוספירה רוסי בשם אלכסנדר פרידמן, שעסק בקוסמולוגיה כתחביב, שלפי משוואות תורת היחסות הכללית אפשריים בעקבות המפץ הגדול מספר מצבי אי-יציבות, ולא קריסה בלבד. אם נחשוב למשל על ההתפשטות הראשונית בעקבות המפץ הגדול, הרי שזו מואטת לאחר זמן בגלל המשיכה ההדדית של שדות הכבידה. או, שכבידת השדות חלשה מכדי לעצור את ההתפשטות והיא נמשכת ומביאה ליצירת גושים מבודדים (גלקסיות) המתרחקים וגורמים ל’התנפחות’ היקום.
כעבור כמה שנים אכן גילה האבל את ההיסט לאדום** בספקטרום של אור הגלקסיות המעיד על בריחה ‘מבוהלת’ של הגלקסיות זו מזו. הן מתרחקות במהירות גדלה, המצטברת עם המרחק – עוד 25 ק”מ לשנייה לכל מרחק של מיליון שנות אור***.

מה יש ביקום ולאן הוא מתפשט?
מאז שנות החמישים עסוקים המדענים בסוגיה נוספת בתורת היחסות. מדובר בפער בין כמויות החומר והקרינה, שלפי החישובים אמורים להוות צפיפות אנרגיה ממוצעת (הצפיפות ‘הקריטית’) ביקום, לבין הכמות המזוהה (החומר הנראה) המהווה פחות מ10%- מזה. לפיכך, מעריכים שיש עוד כמויות אדירות של חומר בצורות שלא גילינו מכיוון שהן אינן מחזירות אור רגיל. חומר זה מכונה בהכללה “חומר אפל” והוא מהווה עוד 20% מכמות החומר ביקום. עדיין חסרים 70% לצפיפות הקריטית וסבורים שקיימות צורות אנרגיה נוספות שלא הבחנו בקיומן והן ממלאות תפקיד בהתנהגות היקום.

כשגלקסיות מתרחקות זו מזו נוצר ביניהן ריק (הגם שאינו מוחלט). אך כשמהירות בריחתן משתנה בהקשר ותלות בזמן, סימן שפועל כאן כוח המתערב עכשיו ולא רק ברגע המפץ שאירע לפני 12 מיליארד שנים. האם כוח זה מושרה ע”י מה שהמדענים קוראים “אנרגיית הריק”, כפי שהמשיכה מושרית ע”י המסות?

לאחרונה מניחים שהאחוזים החסרים (70%) מצויים באחת משתי צורות. האחת היא אותה “אנרגיית ריק” שטרם למדנו לחשב אותה והשנייה קשורה במונח חדש הקרוי ‘קואינטסנס’ QUINTESSENCE המתאר ישות (שאינה חומרית במובן הרגיל) המקרינה שדה דחייה. שתי הצורות זכו בהכללה לשם “אנרגיה שחורה” (להבדיל מ”חומר שחור”).

עומדים אנו בראשית המאה ה21- בפני חידת כוח שהוא כבידתי באופיו, אך פעולתו – דחייה והוא מריץ את הגלקסיות. זוהי אם כך התעלומה הקוסמולוגית לקראת שנת הפיזיקה שתחול ב2005- במלאות 100 ל’שנת הנס’.

*בשנת 1926 גילה האסטרונום האמריקאי אדווין האבל (Edwin Habble) שהיקום גדול בהרבה ממה שהעריכו וכי הערפיליות שנחשבו לענני גז בגלקסיה שלנו, הן למעשה גלקסיות בפני עצמן.
** מדובר במה שקרוי ‘אפקט דופלר’ – התארכות אורכי הגל כשמקור האור מתרחק מאתנו, והתקצרותם כשהמקור מתקרב.
***שנת אור – המרחק שעוברת קרן אור בשנה אחת (מהירות האור=300,000 ק”מ בשנייה, שהם כעשרת אלפים מיליארד ק”מ)

ושוב תודה לעורכת “ראש גדול” זוהר גורי על המאמר, וכמובן גם לפרופ’ יובל נאמן
לאתר הירחון “ראש גדול”