קצב התפשטות היקום שנוי במחלוקת – וייתכן שנצטרך פיזיקה חדשה כדי לכמתו

עכשיו נראה שהקושי הזה אולי נמשך בגלל שתי מדידות מאוד מדויקות שלא מתאימות ביניהן, טוען תומס קיצ'ינג, חוקר אסטרופיזיקה ביוניברסיטי קולג' לונדון (UCL)

כתב תומס קיצ'ינג, חוקר אסטרופיזיקה ביוניברסיטי קולג' לונדון (UCL). תרגום: נחום שרשבסקי עבור אתר הידען

בפעם הבאה שאתם אוכלים מאפין אוכמניות (או שבבי שוקולד) תחשבו מה קרה לאוכמניות בתבליל בזמן האפייה. האוכמניות התחילו מעוכות כולן ביחד, אבל עם התפשטות המאפין הן התחילו להתרחק האחת מהאחרת. אם הייתם יכולים לשבת על אוכמנייה אחת הייתם רואים את כל האחרות מתרחקות מכם, אבל זה היה נכון לכל אוכמנייה שבוחרים. מהבחינה הזאת גלקסיות דומות מאוד לאוכמניות.

מאז המפץ הגדול, היקום מתפשט. העובדה המוזרה היא שאין מקום אחד שממנו היקום מתפשט, אלא כל הגלקסיות (בממוצע) מתרחקות מכל האחרות. מנקודת המבט שלנו בגלקסיית שביל החלב, נראה כאילו רוב הגלקסיות מתרחקות מאיתנו - כאילו אנחנו המרכז של היקום דמוי המאפין שלנו. אבל זה ייראה בדיוק אותו הדבר מכל גלקסיה אחרת -- כל דבר מתרחק מכל דבר אחר.

כדי לבלבל את העניינים עוד יותר, מתצפיות חדשות עולה שהקצב של ההתפשטות הזאת ביקום עשוי להיות שונה, תלוי כמה רחוק אחורה בזמן מסתכלים. הנתונים החדשים האלה, שפורסמו בכתב העת האסטרופיזי, מצביעים על כך שאולי הגיע הזמן לשנות את ההבנה שלנו את היקום.

האתגר של האבל

הקוסמולוגים מאפיינים את התפשטות היקום בחוק פשוט שנקרא חוק האבל (על שם אדווין האבל -- למרות שלמעשה אנשים רבים אחרים הקדימו את התגלית של האבל). חוק האבל הוא התצפית שגלקסיות יותר רחוקות מתרחקות בקצב מהיר יותר. זה אומר שגלקסיות קרובות מתרחקות לאט יחסית בהשוואה.

הקשר בין המהירות והמרחק של גלקסיה נקבע על ידי "הקבוע של האבל", שהוא בערך 70 ק"מ לשנייה למגה פארסק (יחידת אורך באסטרונומיה). המשמעות של זה היא שגלקסיה מוסיפה בערך 80,000 קמ"ש לכל מיליון שנות אור של מרחק מאיתנו. בזמן שלוקח לכם לקרוא את המשפט הזה גלקסיה במרחק של מיליון שנות אור מתרחקת בעוד כ-160 ק"מ.

ההתפשטות הזאת של היקום, כשגלקסיות קרובות מתרחקות לאט יותר מגלקסיות רחוקות, היא מה שהיינו מצפים מיקום שמתפשט באופן אחיד עם אנרגיה אפלה (כוח בלתי נראה שגורם להתפשטות היקום להאיץ) וחומר אפל (צורה בלתי ידועה ובלתי נראית של חומר שנפוצה פי חמישה מחומר רגיל). זה גם מה שצופים באוכמניות במאפין מתפשט.

ההיסטוריה של מדידת הקבוע של האבל הייתה גדושה בקשיים ובתגליות בלתי צפויות. ב-1929 האבל עצמו חשב שהערך חייב להיות בערך 550,000 קמ"ש למיליון שנות אור - גדול בערך פי עשרה ממה שאנחנו מודדים עכשיו. מדידות מדויקות של הקבוע של האבל במשך השנים הן למעשה מה שהוביל לתגלית המקרית של האנרגיה האפלה. החקירה לדעת עוד על סוג האנרגיה המסתורי הזה, שמהווה 70% מהאנרגיה ביקום, הייתה ההשראה לשיגור טלסקופ החלל הטוב בעולם (כעת), שנקרא על שם האבל.
קוסמולוגיה מרתקת

עכשיו נראה שהקושי הזה אולי נמשך בגלל שתי מדידות מאוד מדויקות שלא מתאימות ביניהן. בדיוק כשמדידות קוסמולוגיות נעשו כל כך מדויקות כך שציפו שנדע את הערך של קבוע האבל אחת ולתמיד, מצאו במקום זאת שהדברים לא נראים הגיוניים. במקום תוצאה אחת יש לנו עכשיו שתי תוצאות מאוד מרתקות.

מצד אחד יש לנו את המדידות החדשות המאוד מדויקות של קרינת הרקע הקוסמית -- עקבות האור של המפץ הגדול -- ממשימת פלאנק, שמדדה את קבוע האבל וקיבלה בערך 74,300 קמ"ש למיליון שנות אור (או ביחידות של קוסמולוגים: 67.4 km/s/Mpc).
מצד שני יש לנו מדידות חדשות של כוכבים פועמים (פולסארים) בגלקסיות מקומיות, גם הן מאוד מדויקות, שמדדו את קבוע האבל וקיבלו בערך 81,100 קמ"ש למיליון שנות אור (או ביחידות של קוסמולוגים: 73.4 km/s/Mpc). הם יותר קרובים אלינו בזמן.
לגבי שתי המדידות האלה נטען שהתוצאות שלהן נכונות ומאוד מדויקות. אי הוודאות של המדידות היא רק בערך 480 קמ"ש למיליון שנות אור, כך שנראה שבאמת יש הפרש משמעותי בתנועה. הקוסמולוגים קוראים לאי ההתאמה הזאת "מתיחה" בין שתי מדידות - שתיהן מושכות סטטיסטית את התוצאות בכיוונים שונים, ומשהו חייב להישבר.

פיזיקה חדשה?
אז מה הולך להישבר? בשלב זה עדיין לא הוחלט. ייתכן שמודל היקום שלנו שגוי. מה שרואים הוא שהיקום מתפשט מהר יותר בקרבת מקום ממה שהיינו מצפים על סמך מדידות רחוקות יותר. המדידות של קרינת הרקע הקוסמית לא מודדות את ההתפשטות המקומית ישירות, אלא מסיקות אותה דרך מודל - מודל היקום שלנו. הוא הצליח מאוד בניבוי ותיאור של נתוני תצפיות רבים היקום.

אז המודל הזה אולי שגוי, אבל אף אחד לא הציע מודל פשוט ומשכנע שיכול להסביר את זה ובה בעת להסביר את כל התצפיות האחרות שלנו. לדוגמה אנחנו יכולים לנסות להסביר את זה באמצעות תאוריית כבידה חדשה, אבל אז תצפיות אחרות לא יתאימו. או שאנחנו יכולים לנסות להסביר את זה באמצעות תאוריה חדשה של חומר אפל או אנרגיה אפלה, אבל אז תצפיות נוספות לא יתאימו - וכך הלאה. אז אם המתיחות היא בגלל פיזיקה חדשה, היא חייבת להיות מורכבת ולא ידועה.

הסבר פחות מלהיב יכול להיות שיש "נעלמים לא ידועים" בנתונים שנגרמו על ידי השפעות שיטתיות, וניתוח קפדני יותר עשוי לגלות יום אחד השפעה עדינה שהתעלמו ממנה. או שאולי זאת רק אקראיות סטטיסטית שתיעלם כשייאספו עוד נתונים.

לא ברור כעת איזה שילוב של פיזיקה חדשה, השפעות שיטתיות או נתונים חדשים יפתור את המתיחות הזאת, אבל משהו חייב לקרות. ייתכן שתמונת המאפין המתפשט של היקום כבר לא שימושית, והקוסמולוגים במרוץ לנצח ב"תחרות אפייה קוסמית גדולה" כדי להסביר את התוצאה הזאת. אם דרושה פיזיקה חדשה כדי להסביר את המדידות החדשות האלה, אזי התוצאה תהיה שינוי מרתק של תמונת היקום שלנו.

לכתבה באתר THE CONVERSATION UK

עוד בנושא באתר הידען: