המפץ הגדול

מתוך המכלול
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
התפשטות היקום מתוך הסינגולריות לאחר המפץ הגדול

המפץ הגדולאנגלית: (The Big Bang הוא שמה של תאוריה פיזיקלית שנראית מתישבת עם כל ממצאי היקום הנוכחיים, ואשר באה ליישב ממצאים שונים, באמצעות הנחה שהיקום נוצר מנקודה אחת מרוכזת, וממנה הוא מתפשט כל העת. התאוריה על גירסאותיה משלבת השערות וביאורים קוונטיים ומנסה לתאר תהליכים שונים במהלך ההתפשטות.

התאוריה איננה מדברת רק על תהליך בניית החומר הפיזי, כי אם גם על בניית ממד הזמן, ממדי המרחב, והגדלים הפיזיקליים הידועים לנו כיום.

דעה תורנית

יהודים מאמינים יודעים שהעולם נברא בששת ימים בלבד לפני כ-5780 שנה. אולם למרות שכל העת נמצאים ממצאים שונים אשר ידוע שלהתהוותם נדרשים שנים רבות יותר, ידוע שאין מציאתם מלמדת באמת על הזמן שנבראו בפועל מאז התרחשות התהליך, אלא כנראה אחד מהשלושה:

  • או שאכן המחקרים אינם מדויקים.
  • או שנבראו מטעם כלשהו, כשהם בשיאו של התהליך. דבר הנראה כמסתבר ביותר בעולם של בריאה, שהרי כדי להנות מאבני חן ויהלומים, היה העולם נדרש למליוני שנה עד להכנתם בפועל וכן היינו נדרשים להמתין עד ליצירת נפט ודלק וחומרים רבים נוספים.
  • או שבתחילת הבריאה, הבורא יצר זמן מהיר, שבתוך ימי הבריאה בלבד, התכווצו תהליכים ארוכי זמן והסתיימו בעתם.

את מאפייני 'המפץ הגדול' ניתן לחלק לשניים:

  • אלו שהוכחו מחקרית, ואין כיום דבר הסותר את תהליך הבריאה (כאמור שלושת האפשרויות הנ"ל).
  • ואלו שהם בגדר השערות והסברים, שגם אם הם מתאימים ואף צופים מראש תהליכים שונים, הם אינם אלא השערות בלבד. תאורית ה'מפץ הגדול' הינה ברובה תאוריה בלבד. אך אין בכך סתירה שניתן להשתמש בהסבריה הנוחים לתפיסה, על מנת לחשב תופעות שונות, שביניהן ישנן הנוגעות לחיי המעשה.

דבר אחד ידוע, שהבורא הוא שיצר את עולמו, וברצונו בחר באופן שהבריאה תראה למתבוננים בה בכל עת וגם בשנותיה האחרונות האלו.

מהפך החשיבה של התאוריה

מבחינה מדעית, האמונה בתאוריה מהווה מהפך בחשיבה המדעית החילונית, משום שמאז ימי אריסטו האמינו שהיקום נצחי ויציב-בלתי משתנה. גם בקרב מאמיני הבריאה (ביניהם נוצרים שונים), היו שהאמינו שמרחבי היקום הינם סטטיים ואינסופיים[1]. אכן, בתחילת ימיה של התאוריה, היא נדחתה מקרב קהילת המדענים בטענה שהיא מיובאת ממקורות דתיים, של "רגע בריאה", אל תוככי המחקר. כאמור, כיום היא מקובלת בקהילת המחקר כמיצגת נכונה של המציאות.

השערות בדבר הסדר הכרונולגי שבתאורית המפץ הגדול

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – הכרונולוגיה של היקום

מודל ה'מפץ הגדול' מבוסס על מספר תהליכים המכונים:

  • סינגולריות
  • אינפלציה ובאריוגנזה
  • התקררות
  • התגבשות מבנים
  • התרחבות מואצת

על פי תאוריה זו תחילתו של היקום מנקודה בודדת בעלת מסה ועיקום מרחב-זמן אינסופיים, המכונה "סינגולריות כבידתית" עקב תנודות קוונטיות. ומנקודה זו החל המרחב-זמן וחלקיקי המסות להתפשט ולהתרחב.

על פי הערכת התאוריתקנים הזמן שהיה אמור לארוך להתפשטות היקום לכדי מצבו הנוכחי המוכר לנו כיום הוא -13.819 מיליארד שנה. מה שמכונה על ידם גיל היקום .[2].

נתון זה מתבסס על מדידות על ידי שימוש בסופרנובה מסוג Ia, ומדידת תנודות בקרינת הרקע הקוסמית.

כאמור לעיל, השערה זו אינה לוקחת משתנים עלומים שלא נתגלו כל צרכם, כמו שינויים מהותיים באורכי מימד הזמן, היווצרות היקום בשיאו של התהליך על ידי הבורא ועוד.

מיליונית שנייה לאחר ההתרחבות הגדולה, היקום הקדום היה במצב מיוחד המכונה "פלזמת קווארקים-גלואונים", שהוא תערובת של קווארקים וגלואונים חופשיים, ומאז הוא החל להתקרר ולהתפשט במהירות עצומה.

בעקבות ההתקררות והפחתת הצפיפות, התאפשרה היווצרות חלקיקים חדשים דוגמת פרוטונים ונייטרונים בתהליך הנקרא "באריוגנזה", שעל ידי סינתזה גרעינית התארגנו לאטומים של שלושת היסודות המרכיבים את היקום: מימן, הליום וליתיום.

מקום המפץ הגדול

לפי התאוריה, בראשיתו היה היקום כולו מרוכז באותה נקודה סינגולרית, ולכן כל מקום ביקום של היום הוא המקום שבו התרחש המפץ.

סינגולריות

כרונולוגית היקום. החל מתחילת ההתפשטות, תנודות קוונטיות, אינפלציה קוסמית, היווצרות הפרוטונים, תחילתו וסיומו של היתוך גרעיני, קרינת הרקע הקוסמית, היווצרות מימן נייטרלי ועד ליקום כיום
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – סינגולריות כבידתית

כשאומדים את התרחבות היקום אחורה בזמן מגיעים לתוצאה כי צפיפות החומר והטמפרטורה היו אינסופיים בזמן סופי כלשהו בעבר.[3]

סינגולריות זו מצביעה על כך שתורת היחסות הכללית אינה מתארת באופן מספק את חוקי הפיזיקה בהקשר זה. יכולתם של מודלים המבוססים על תורת היחסות הכללית לאמוד את הסינגולריות מוטלת בספק, בוודאי לא בזמן שלפני סוף עידן פלאנק (10-43 שניות מתחילת המפץ הגדול).

אותה סינגולריות קדמונית מכונה לעיתים "המפץ הגדול", אך המושג לעיתים גם מתייחס לשלב הקדמוני, הצפוף והחם של היקום. בכל מקרה, ל"מפץ הגדול" כאירוע ניתן להתייחס בלשון הדיבור, כ"לידתו" של היקום מאחר שהוא מייצג את הנקודה בהיסטוריה בה חוקי הפיזיקה כמו שאנו מבינים אותם (ביחוד היחסות הכללית והמודל הסטנדרטי), כולל הזמן עצמו,[4] התחילו לשחק תפקיד.

אינפלציה ובאריוגנזה

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אינפלציה קוסמית
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – באריוגנזה

השלבים הראשונים של המפץ הגדול נתונים להשערות שונות. ברוב המודלים הנפוצים היקום בראשיתו היה מלא הומוגנית ואיזוטרופית בצפיפות אנרגיה גדולה מאוד, טמפרטורות גבוהות ולחץ אדיר, תוך כדי התפשטות מהירה והתקררות. בערך כ-10-37 שניות להתפשטות, מעבר פאזה גרם לאינפלציה קוסמית תוך כדי שהיקום גדל בצורה מעריכית, בזמן שתנודות קוונטיות, שהתרחשו בהתאם לעקרון האי-ודאות, התגברו והפכו להיות אבני היסוד שמאוחר יותר יהוו את המבנים הגדולים ביקום (גלקסיות, צבירים וכדומה).[5] לאחר שהאינפלציה נעצרה, היקום התחמם מחדש עד לקבלת הטמפרטורה הנחוצה ליצירת זוג של פלזמת קווארקים-גלואונים בנוסף לחלקיק יסודי אחרים.[6] הטמפרטורות היו כה גבוהות עד שתנועות אקראיות של חלקיקים היו מהירים יחסותית וזוגות של חלקיק-אנטי חלקיק מכל הסוגים נוצרו והושמדו ללא הרף כתוצאה מהתנגשויות. בנקודה מסוימת, ריאקציה בלתי ידועה שנקראת באריוגנזה הפרה את השימור של מספר באריוני, מה שהוביל לרוב קטן של קווארקים ולפטונים על פני אנטי-קווארק ואנטי-לפטון (כלומר האנטי חלקיק שלהם). הדבר הוביל ליתרון של החומר על פני האנטי חומר ביקום כיום.[7]

התקררות

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – סינתזה גרעינית קדמונית
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קרינת הרקע הקוסמית
תמונה פנורמית תת-אדומה של השמיים חושפת את תפוצת הגלקסיות מחוץ לגלקסיית שביל החלב

צפיפות היקום המשיכה לרדת והטמפרטורות צנחו מה שגרם לאנרגיה האופיינית של כל חלקיק להיחלש בהתאם. מעבר פאזה נוסף סידר את כוחות היסוד של הפיזיקה והפרמטרים של חלקיקי היסוד בצורתם הידועה כיום.[8] לאחר כ-10-11 שניות לאחר המפץ הגדול, התמונה נהפכת לפחות משוערת מאחר שאנרגיית החלקיקים צונחת למידות שכבר ניתן לאמת על ידי שימוש במאיצי חלקיקים. כ-10-6 שניות למפץ הגדול, קווארקים וגלואונים התחברו ויצרו באריונים כמו פרוטונים ונייטרונים. היתרון המספרי של הקווארקים על פני האנטי-קווארקים גרם גם ליתרון של הבאריונים על פני האנטי-באריונים. הטמפרטורות באותה העת לא היו גבוהות מספיק כדי ליצור זוגות חדשים של פרוטון ואנטי-פרוטון (אותו הדבר עבור נייטרונים ואנטי-נייטרונים), מה שגרם להשמדת מסה אשר ממנה נשאר רק 1/10-10 ממספר הפרוטונים והנייטרונים המקוריים ואף לא אחד מהאנטי חלקיק שלהם. תהליך דומה התרחש עבור האלקטרונים והפוזיטרונים כשנייה לאחר המפץ הגדול. לאחר השמדת המסה, הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים הנותרים לא נעו יותר יחסותית וצפיפות האנרגיה ביקום נשלטה על ידי הפוטונים (עם השפעה זניחה של חלקיק הנייטרינו).

לפי השערת התאוריתנקים דקות ספורות לאחר ה'מפץ הגדול', כאשר הטמפרטורה הייתה כמיליארד מעלות קלווין והצפיפות הייתה כזאת של האוויר, נייטרונים ופרוטונים התחברו ומהם נוצרו גרעיני האטום של דאוטריום (איזוטופ של אטום מימן) וההליום בתהליך הסינתזה הגרעינית.[9] רוב הפרוטונים נשארו חופשיים כגרעיני אטום מימן.[10]

במשך אותו הזמן, צפיפותו של היקום גברה על קרינת הפוטונים ולא איפשרה לה לחדור מבעדה.

לאחר כ-380,000 שנה של התקררות, האלקטרונים וגרעיני האטום התחברו לכדי אטומים (לרוב אטומי מימן). כתוצאה מכך, צפיפות היקום ירדה ולקרינה לא הייתה עוד אינטראקציה עם החומר, מה שאיפשר לה להמשיך ולהתקדם ברחבי היקום. אותה קרינה מכונה כקרינת הרקע הקוסמית.

לגבי הביוכימיה ייתכן והחלה כאשר היקום היה בן 10-17 מיליון שנה.[11]


התגבשות מבנים

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – צפיפות היקום
צביר הגלקסייה אבל 2744, כפי שנצפה על ידי טלסקופ החלל האבל[12]

לאחר פרק זמן ארוך, כשהחומר התפזר ביקום בצורה כמעט אחידה, האזורים המעט יותר צפופים משכו, בעזרת הכבידה, את החומר שהיה מצוי בקרבתם. אלו הפכו ליותר ויותר צפופים כאשר הם מתגבשים לבסוף לכדי ענני גז, כוכבים, גלקסיות ולמעשה כל מבנה אסטרונומי שניתן לצפות בו כיום.[13]

פרטי תהליך זה תלויים בכמות וסוג החומר ביקום. ארבעת סוגי החומר האפשריים ידועים כהחומר האפל הקר, החומר האפל החמים (warm dark matter), החומר האפל הלוהט (hot dark matter) והחומר הבאריוני.[14] המדידות הטובות ביותר שזמינות (מלווין המחקר WMAP), מראות כי הנתונים תואמים היטב את מודל הלמדא-CDM ‏(ΛCDM) בו משוער כי החומר האפל הוא קר והערכה כי הוא מהווה כ-23% מהחומר-אנרגיה ביקום, כאשר החומר הבאריוני מהווה כ-4.6%.[15]

התרחבות מואצת

ראיות שונות מסופרנובה מסוג Ia וקרינת הרקע הקוסמית רומזות כי היקום כיום נשלט על ידי סוג של אנרגיה מסתורית המכונה אנרגיה אפלה שכפי הנראה מתפשטת בכל החלל. תצפיות מציעות כי אנרגיה זו מהווה כ-73% מצפיפות האנרגיה ביקום כיום. כשהיקום היה צעיר מאוד, ככל הנראה היה חדור אנרגיה אפלה, אך עם פחות מרחב וצפיפות גדולה יותר, לכבידה היה יתרון והתרחבותו נבלמה באיטיות. אך לבסוף, לאחר מיליארדי שנים של התרחבות שכיחותה של האנרגיה האפלה עלתה וגרמה באיטיות להתרחבות להתחיל להאיץ.[16]

מה ידוע על האנרגיה האפלה

האנרגיה האפלה בהגדרתה הפשוטה ממלאת את מקום המושג הקבוע הקוסמולוגי ממשוואות השדה של איינשטיין של תורת היחסות הכללית, אולם ההרכב והמכניזם שלה אינם ידועים והיחסים של עם המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים נחקר הן בדרכים תאורטיות והן על ידי תצפיות.[16] כל האבולוציה הקוסמית של עידן האינפלציה יכול להיות מוסבר לעומק על ידי מודל הלמדא-CDM של הקוסמולוגיה, אשר נעזרת במסגרת של מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית. אין מודל מגובה בראיות שמסביר את מה שאירע כ-10-15 שניות למפץ הגדול ונראה כי נדרשת תאוריה מאוחדת של תורת כבידה קוונטית על מנת לפרוץ מחסום זה. הבנת התקופות הקדומות של ההיסטוריה של היקום מהווה את אחת הבעיות הגדולות הבלתי פתורות של הפיזיקה.

הבעיות במודל היציב=

למודל היציב, היה חסר הסבר משכנע מדוע המשיכה הגרוויטציונית שבין כל הגופים, לא תוביל לקריסת היקום אל תוך עצמו. בנוסף לא ניתן ביאור לפרדוקס של אולברס, שהצביע על כך שאם היקום הוא נצחי ואינסופי, שמי הלילה לא יכולים להיות שחורים, כי האור מכל הכוכבים אמור להצטבר לאנרגיה אינסופית.

מקור הרעיון ושמו

הראשון שהעלה על הכתב את ההשערה שמקור היקום מנקודה בודדת, היה דווקא הסופר אדגר אלן פו שלא היה מדען, שכתב על כך בשנת 1848 במאמר לא מדעי בשם "יוריקה".

באופן אירוני מקור השם "המפץ הגדול" נטבע בשנת 1949 דווקא על ידי פרד הויל, אחד ממתנגדיה החריפים של התאוריה, ומפתח מודל אלטרנטיבי הקרוי "תאוריית המצב היציב" ".[17]. המונח באנגלית הוא משחק מילים על משמעות המילה Bang ("פיצוץ").

ההישגים המדעיים שהובילו להשערת המודל

ציוני דרך עיקריים בהתפשטות היקום

בעית הקבוע הקסמולוגי של אינשטיין

ב-1917 ניסה אלברט איינשטיין לבדוק את השלכותיה של תורת היחסות הכללית אותה פיתח על היקום. הוא הניח שהיקום הוא איזוטרופי והומוגני, וגילה שהצבת התפלגות מסה אחידה במשוואות השדה נתנה פתרון בלתי יציב, שבו היקום הולך ומתכווץ. איינשטיין הצליח לקבל בכל זאת מודל סטטי של היקום רק על ידי הוספת איבר נוסף למשוואות בעל ערך מסוים, שאמנם לא סתר את הנחות היסוד שלו, אבל היה תלוי בקבוע שרירותי, ובכך הוא התאים את ההנחה של יקום סטטי. לקבוע זה הוא קרא הקבוע הקוסמולוגי.

בשנות ה-20, ערערו שני מדענים על קביעתו של איינשטיין לפיה יש לתקן את משוואות השדה בעזרת האיבר התלוי בקבוע הקוסמולוגי, ובדקו מה משמעות הפתרונות הבלתי יציבים שמתקבלים ממשוואות השדה המקוריות. המתמטיקאי הרוסי אלכסנדר פרידמן פרסם ב-1922 וב-1924 מאמרים, בהם הראה את קיומם של שלושה סוגי פתרונות, שבכל אחד מהם היקום בתחילה מתפשט. הפתרונות היו שונים זה מזה במידת ההתפשטות ההתחלתית ובצפיפות המסה ההתחלתית של היקום. עבור צפיפות התחלתית גבוהה, התפשטות היקום נבלמת והוא מתכווץ וקורס. עבור צפיפות התחלתית נמוכה, ההתפשטות נמשכת לנצח, ועבור ערך קריטי של הצפיפות, ההתפשטות נבלמת אולם לא מתהפכת, והיקום שואף לבסוף למצב סטטי. הפיזיקאי הבלגי ז'ורז' למטר, שלא הכיר את עבודתו של פרידמן, מצא גם הוא את הפתרונות בהן היקום מתפשט. אולם הקהילה המדעית לא שמה לב לעבודותיהם, ואילו איינשטיין, שכן היה מודע להן, דחה אותן בתוקף.

תצפיות אסטרונומיות

באותה תקופה חלו גם התפתחויות באסטרונומיה התצפיתית שהביאו להכרה בכך שהיקום מתפשט. ב-1912 פרסמה האסטרונומית האמריקנית הנרייטה ליוויט את גילויה שיש קשר בין הבהירות המוחלטת של כוכבים משתנים מסוג קפאידים לבין זמן המחזור שלהם – ועל ידי כך למדוד את מרחקם על ידי השוואת הבהירות הנראית לבהירות המוחלטת, ולהשתמש בהם כ"נר תקני".

ב-1923 הצליח האסטרונום האמריקני אדווין האבל לזהות לראשונה משתנה קפאידי בערפילית אנדרומדה. מדידת המרחק הראתה שהערפילית היא מחוץ לשביל החלב, ובכך הכריע את הוויכוח ארוך השנים האם קיימות גלקסיות מחוץ לשביל החלב. מדידת המרחקים לגלקסיות נוספות, והשוואת למדידת ההסחה לאדום של האור מהן לפי אפקט דופלר, הראו שהגלקסיות מתרחקות זו מזו במהירות פרופורציונית למרחק ביניהן, דבר שמראה כי היקום עצמו מתפשט. האבל פרסם מסקנה זו, שמכונה היום "חוק האבל", ב-1929.

האנטנה ששימשה לגילוי קרינת הרקע הקוסמית. התגלית היוותה ציון דרך ואישוש מובהק[18] למודל "המפץ הגדול" וגורם מכריע להעדפתו על פני מודל "המצב היציב"

פרסום חוק האבל הוביל להתעניינות בעבודתם של למטר ושל פרידמן שנפטר בינתיים. ב-1930 הסב ארתור אדינגטון את תשומת לב הקהילה המדעית למאמרו של למטר מ-1927 שחזה את התפשטות היקום. למטר חזר לעסוק בנושא, ובהרצאה בלונדון הציג לראשונה את הרעיון שהיקום התפשט מנקודה התחלתית, לה הוא קרא "האטום הקדמוני". ב-1931 קיבל גם איינשטיין את רעיון היקום המתפשט, והכריז על כך בעת ביקור אצל האבל במצפה הכוכבים בהר וילסון. הוא גם חזר בו מרעיון "הקבוע הקוסמולוגי", אותו כינה "הטעות הגדולה בחיי".

למרות התמיכה של איינשטיין, מודל "המפץ הגדול" היה עדיין רחוק מלהתקבל כקונצנזוס בקהילה המדעית. במהלך שנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20 כמעט כל הקוסמולוגים הבכירים תמכו במודל של מצב יציב נצחי, חלקם בטענה כי מודל של יקום עם התחלה מייבא רעיונות דתיים.[19] טענה זו נסתמכה גם על העובדה שלמטר עצמו היה כומר קתולי. במשך השנים פותחו תאוריות שונות שהסבירו את התפשטות היקום שהוכחה בתצפיות של האבל מבלי להניח שליקום הייתה התחלה, כולל את מודל מילן,[20] מודל של יקום מחזורי (במקור הוצע יל ידי פרידמן אבל נתמך על ידי איינשטיין וריצ'רד טולמן)[21] ורעיון האור המתעייף של פריץ צוויקי.[22]

צמיחת תאוריות מקבילות

לאחר מלחמת העולם השנייה צמחו שתי תאוריות אפשריות שונות. האחת הייתה תאוריית המצב היציב של פרד הויל,[23] ולפיה היקום מתפשט בצורה קבועה תוך כדי שבמרחבי היקום נוצר חומר באופן מתמיד. על פי מודל זה היקום הוא פחות או יותר זהה בכל נקודת זמן. השנייה הייתה תאוריית המפץ הגדול של למטר, שנתמכה ופותחה על ידי ג'ורג' גאמוב שהציג את הסינתזה הגרעינית הקדמונית.[24] עמיתיו רלף אלפר ורוברט הרמן חזו את קיומה של קרינת הרקע הקוסמית.[25]

התגלית שהביאה לבחירת מודל המפץ

הגילוי והאישוש של קרינת הרקע הקוסמית ב-1964 הבטיח את היותו של המפץ הגדול כהסבר הטוב ביותר למוצאו והתפתחותו של היקום.[26] רוב המחקרים בקוסמולוגיה כיום כוללים את הבנת היווצרות הגלקסיות לפי המפץ הגדול, הבנת הפיזיקה של היקום בתקפות קדומות וישור קו של תצפיות עם התאורייה.

בעיות שצמחו ופתרונן

באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20, תצפיות על צבירים כדוריים מסוימים הצביעו כי גילם הוא כ-15 מיליארד שנה, בניגוד לרוב הערכות גיל היקום דאז. בעיה זו נפתרה מאוחר יותר כאשר סימולציות מחשב חדשות, אשר לקחו בחשבון את אפקט אובדן המסה כתוצאה מרוח כוכבים (Stellar wind), הצביעה כי גיל הצבירים הכדוריים הוא צעיר הרבה יותר. [27]

מאז שנות ה-90 נעשתה התקדמות ניכרת בקוסמלוגיה של המפץ הגדול כתוצאה מהתקדמות טכנולוגיית הטלסקופ יחד עם ניתוח מידע שנאסף על ידי לוויני מחקר שונים כגון COBE,[28] טלסקופ החלל האבל ו-WMAP.[29]

האישושים לתאוריה

התאוריה זכתה לארבעה אישושים מרכזיים בדמות מדידת התפשטות היקום, גילוי קרינת הרקע הקוסמית, מידע שנאסף בטלסקופ BICEP ומצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להיגרם מגלי כבידה בזמן שלב התפיחה של המפץ הגדול והתאמת כמות היסודות הקלים ביקום לתחזית של תהליך הנוקליאוסינתזה ביקום הצעיר.

התפשטות היקום

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – התפשטות היקום

ניתן להבחין בשינויים במרחק בין גלקסיות ביקום על ידי הקרינה האלקטרו-מגנטית, שכוללת גם את האור הנראה, אותה הן פולטות. שינוי בתכונות גל האור יכול להעיד על השינוי במרחק אותו עבר; כאשר גל האור מתרחק מנקודה מסוימת, אורך הגל עולה, התדירות יורדת ומתרחשת הסחה לאדום. מקרה הפוך, בו גל האור מתקרב אל נקודה מסוימת, גורם להסחה לכחול. תופעה פיזקלית זו מוסברת על ידי אפקט דופלר. לפי תצפיות וניתוחן על ידי האסטרונום האמריקני אדווין האבל ועמיתו למחקר מילטון יומאסון בשנת 1929, נמצאה הסחה לאדום בספקטרום הגלקסיות, המעיד על כך שהגלקסיות מתרחקות זו מזו וכי מהירות התרחקותן פרופורציונית למרחקן, במה שידוע כקבוע האבל. התגלית ניתנת להסבר על ידי שתי אפשרויות; האחת היא שכדור הארץ נמצא במרכז ההתפשטות (כלומר הנקודה אשר ממנה מתרחקות כל הגלקסיות)- מה שלא ייתכן על פי העיקרון הקופרניקני- השנייה היא שהיקום מתפשט בצורה אחידה לכל עבר. האפשרות השנייה נחזתה לפני התגלית של האבל על ידי אלכסנדר פרידמן וז'ורז' למטר.

את קצב התפשטות היקום והתרחקות הגלקסיות זו מזו ניתן להסביר בעזרת חוק האבל, החוק מוגדר כך:

כאשר,

  • v הוא מהירות ההתרחקות של הגלקסיה.
  • D הוא המרחק מן הגלקסיה.
  • H0 הוא קבוע האבל, שערכו 0.8 ± 69.32 ק"מ לשנייה, למיליון פרסק.

לפי נוסחה זו ניתן גם לחשב לאחור את הזמן אשר היה נדרש לעבור אילו אכן מקור העולם מנקודה אחת, זמן זה מוערך כיום בכ-13.819 מיליארד שנים. ומכונה גיל העולם.

חיזוי קרינת הרקע הקוסמית

קרינת הרקע הקוסמית כפי שנמדדה על ידי לוויין המחקר WMAP, שנשלח לחלל ביוני 2001
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קרינת הרקע הקוסמית

בסביבות שנת 1950, הקוסמולוגים ג'ורג' גאמוב, רלף אלפר ורוברט הרמן העריכו שאילו היה פיצוץ, הרי שבראשית ההתפשטות לא יכלה הקרינה לחדור מעבר למעבה האלקטרונים החופשיים הצפופים והלוהטים. ורק לאחר תקופת 'צינון' שאורכה אמור להיות כאורך 380,000 שנה, ובסיומה האלקטרונים והפרוטונים התחברו ונוצרו האטומים הראשוניים.[30] ורק אז יכלה להמשיך הקרינה הלאה ולהתפשט בחופשיות ברחבי היקום. לפיכך, הם הניחו כי שרידי הקרינה ההיא עדיין מתקדמים ביקום וניתנים לצפייה.

ואכן בשנת 1965, ארנו פנזיאס ורוברט וילסון ממעבדות בל, גילו באקראי באמצעות גלאי קרינה אלקטרומגנטית רגישים, 'רעשי' קרינה כלשהן שלא ידעו מה מקורם. ולאחר שפסלו כל מקור רעש אחר הבינו כי ייתכן ומדובר בקרינת הרקע הקוסמית שנחזתה לפני גילויה.

הקרינה הקוסמית שנצפתה הינה אחידה בכל כיוון ומעידה על קיום מצב של שיווי משקל תרמי ביקום הקדום – ולפי ההשערה אילו היא הקרינה הקוסמית היא "נפרדה" משאר החומר ביקום בזמן היווצרות האטומים. על גילוי זה זכו ארנו פנזיאס ורוברט וילסון בפרס נובל לפיזיקה. למטר שמע על התגלית כשהיה על ערש דווי. אחריהם הציעו ווקר ורוברטסון דגמים דומים לדגם של למטר.

מידע שנאסף בטלסקופ BICEP (אנ'), ופורסם במרץ 2014, מצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להגרם מגלי כבידה בזמן שלב התפיחה של המפץ הגדול. אחר בדיקה מחודשת של התוצאות פורסם באוקטובר 2014 כי ככל הנראה נפלו טעויות בהערכת הממצאים, וכי לא ניתן לייחס למדידות אלו את קיומם של גלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. הבהרה של מהות הממצאים התפרסמה על ידי צוות לוויין החלל האירופאי Planck באוקטובר 2014[31]. אישוש מדעי נוסף להשערת נכונות המודל נתקבל בעקבות הממצאים הקשורים לקרינה שגילה לווין המחקר COBE בשנות ה-90 של המאה ה-20 ולוויין המחקר WMAP ששוגר מאוחר יותר.

שכיחות יסודות בסיסיים

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – סינתזה גרעינית קדמונית

יחסי היסודות מימן, הליום-4, דאוטריום והליום 3. קשים להבנה מדוע הינם דווקא בכמויות כאלו. אולם מודל המפץ נותן הסבר לתצפיות.

התצפיות אינן חד משמעיות כאשר על חלק מהתחזיות יש הסכמה רחבה (כדוגמת דאוטריום) ועל חלק אי וודאות (כדוגמת ליתיום). למרות זאת, העקביות בכמות שנחזית על ידי הסינתזה הגרעינית מהווה ראייה למפץ הגדול מאחר שהתאוריה היא היחידה שיכולה להסביר את היחס בין היסודות.[32]

מראה הגלקסיות

מתצפיות על גלקסיות שונות בגודלן נראה כי יתכן ונוצרו בתהליכי זמן שונים זה מזה: הגלקסיות והקוואזרים צבירי גלקסיות וצבירי-על.[33].

נראה עוד שינויים בצורתן של גלקסיות לפי מידת ריחוקן זו מזו, וביחס להשערת זמן היווצרותן, באופן שגלקסיות שנוצרו במרחקים דומים, אך במידת זמן שונה לפי ההשערה, הינן שונות במראן. כל זה מהווה טיעון כנגד מודל המצב היציב ומתיישב עם התיאור של מודל המפץ הגדול את צפיפות היקום.[34][35]

ההסבר על ענני גז חסרי יסודות כבדים

ענני גז אסטרונומיים שנמצאו בשנת 2011 נמצאו חסרי כל יסוד הכבד ממימן נייטרלי ודאוטוריום.[36][37] זאת בניגוד לכל שאר גרמי השמים המכיליםספקטרום בליעה של יסודות כבדים יותר. על פי ההשערה, עננים אלו הינם תוצר הדקות הראשונות שלאחר המפץ הגדול.

מישור מוקד של טלסקופ BICEP2, משמש לחיפוש קיטוב בקרינת הרקע הקוסמית[38]

קווי ראיות נוספים

הערכת הזמן הנדרש להתהוות היקום בעזרת חוק האבל וקרינת הרקע הקוסמית משתווה להערכות אודות הכוכבים הקדומים ביותר, הנעזרות באבולוציית כוכבים, צבירים כדוריים ותיארוך רדיומטרי של כוכבים מסוימים בעלי כמות מתכת נמוכה יחסית.[39]

ניסויים שנעשו על ידי תצפיות בספקטרום הבליעה של ענני גז עם הסחה לאדום מאוד גבוהה (כלומר מתרחקים) מאמתות את התחזית כי טמפרטורת קרינת הרקע הקוסמית הייתה גבוהה בעבר. תחזית זאת גם מרמזת כי משרעת אפקט זלדוביץ'-סודייב (עיוות של קרינת הרקע על ידי אפקט קומפטון) בצבירי גלקסיות אינה תלויה ישירות בהסחה לאדום.[40] תצפיות מגלות כי הדבר פחות או יותר נכון אך אפקט זה תלוי במאפייני צבירים שלא משתנים עם הזמן הקוסמי, מה שהופך את דיוק המדידות לקשה.[41][42]

ציפיות לגילויים עתידיים

החוקרים מצפים לגילויים ועקבות שנשארו מהזמן של עד פחות משנייה למפץ הגדול.[43][44]

השערות התהליכים

בשנים 1968 ו-1970 פרסמו רוג'ר פנרוז, סטיבן הוקינג וג'ורג' אליס מאמר בו הראו כי סינגולריות מתמטיות היו תנאי מקדים הכרחי עבור מודלים יחסותיים של המפץ הגדול.[45] מאז, משנות ה-70 ועד שנות ה-90 של המאה ה-20, קוסמולוגים עבדו על איפיון התכונות של היקום על פי המפץ הגדול ופתרון בעיות בולטות. ב-1981 עשה אלן גות' פריצת דרך בפתרון מספר בעיות בולטות בתאוריית המפץ הגדול עם הצגת תקופת התפשטות מהירה ביקום הקדום שנקראת אינפלציה קוסמית.[46] באותם עשורים התעוררו גם שאלות בנוגע לצפיפות החומר ביקום וערכו המדיוק של קבוע האבל. כיום יש לקוסמולוגים מדידות די מדויקות של פרמטרים רבים של מודל המפץ הגדול והם הגיעו לתגלית בלתי צפויה שלפיה התרחבות היקום איננה קבועה אלא הולכת ומאיצה.

הרכבו הכימי של היקום

מודל המפץ הגדול הסטנדרטי מאפשר חישוב של התנאים הפיזיקליים ששררו ביקום בכל רגע, החל בשבריר-זמן קצר ביותר לאחר המפץ הגדול עצמו. על פי תורת הגרעין ותורת החלקיקים האלמנטריים, אנו יודעים לחשב, בתנאי צפיפות וטמפרטורה שונים, את מצבי הקיום של החומר, אילו חלקיקים יכולים להתקיים, אילו אינטראקציות אפשריות בין חלקיקים שונים ובין חלקיקים לשדות קרינה. בשניות ובדקות הראשונות שלאחר המפץ הגדול, הטמפרטורה והלחץ ששררו ביקום הלכו וקטנו במהירות רבה, בגלל ההתפשטות המהירה של היקום. חישובים מראים שמהלך הצפיפות והטמפרטורה היו כאלה שעם ההתפשטות וההתקררות, 90 אחוזים מחלקיקי החומר ביקום נשארו בצורת גרעינים של אטומי מימן, דהיינו כפרוטונים, וכ-10 אחוזים - כחלקיקי אלפא, דהיינו כגרעינים של אטומי הליום.

בתנאי המפץ הגדול לא הספיקו להיווצר חלקיקים כבדים יותר, שכן ירידת הצפיפות והטמפרטורה היו מהירים מדי להתחוללותן של ריאקציות היצירה של יסודות כאלה. גם ניבוי זה של תורת המפץ הגדול אושש בתצפיות. אלה מגלות בכל מקום ביקום את הרכב החומר המתבקש מן המודל. כל הסטיות המתגלות, כגון קיומם של יסודות כבדים אחרים, כמו בשמש ובמערכת השמש, ניתנות להסבר כתופעות וכשינויים מאוחרים יותר בהרכב החומר הקוסמי, שנבעו מתהליכים תרמו-גרעיניים שמתחוללים בליבתם של כוכבים.

השערות אודות המשך היקום לפי התאוריה

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – גורל היקום

לפני התצפיות של האנרגיה האפלה, קוסמולוגים שקלו שני תרחישים לעתיד היקום. אם צפיפות המסה של היקום תהיה גדולה מהצפיפות הקריטית, היקום יגיע לגודל מרבי ואז יתחיל לקרוס. הוא יהפוך שוב לצפוף וחם יותר, ויסתיים במצב דומה (אך הפוך) לזה שבו הוא התחיל - התכווצות גדולה.[47]

לחלופין, אם הצפיפות ביקום הייתה שווה לצפיפות הקריטית או מתחתיה, התרחבות היקום הייתה מאטה אך לא עוצרת. היווצרות כוכבים תפסיק עם צריכת גז בין-כוכבי בכל גלקסיה; כוכבים יתפוצצו ויסיימו את מחזור חייהם, כאשר הם משאירים אחריהם ננסים לבנים, כוכבי נייטרונים וחורים שחורים. בהדרגה, התנגשויות בין אלה יגרמו להצטברות המונית של חורים שחורים יותר ויותר גדולים. הטמפרטורה הממוצעת של היקום תתקרב אסימפטוטית לאפס המוחלט - כלומר, קפאון גדול.[48] יתרה מזאת, אם הפורוטונים יהיו בלתי יציבים, החומר הבאריוני יעלם וישאיר רק קרינה וחורים שחורים. לבסוף החורים השחורים יתנדפו על ידי פליטת קרינת הוקינג. האנטרופיה של היקום תתעצם עד לנקודה שבה שום צורה של אנרגיה לא תוכל להיחלץ ממנה. תרחיש זה מכונה "מות החום".[49]

תצפיות מודרניות על ההתרחבות המואצת של היקום מרמזות כי יותר ויותר מהיקום הנצפה יעבור את אופק האירועים ויאבד כל קשר איתנו. התוצאה הסופית איננה ידועה. מודל ה-ΛCDM כולל את האנרגיה האפלה בדמות הקבוע הקוסמולוגי. תרחיש זה גורס כי רק מערכות הקשורות כבידתית, כגון גלקסיות, ישארו מחוברות וגם הן יהיו נתונות למות החום של היקום בזמן שהיקום מתרחב ומתקרר. הסברים אחרים של אנרגיה אפלה, הנקראים תאוריות "אנרגיית פנטום", גורסים כי בסופו של דבר כל צבירי הגלקסיות, כוכבים, כוכבי לכת, אטומים, גרעיני אטום ולמעשה כל החומר ביקום, יקרעו לגזרים בתוך היקום המתרחב לנצח, בתרחיש שנקרא הקריעה הגדולה.[50]

היחס לתאוריה

בשנת 1951 הכריז האפיפיור פיוס השנים עשר כי מודל המפץ תואם את כתבי הקודש[דרוש מקור].

נעשו מספר ניסיונות מדעיים לסתור את המודל הזה, אך ללא הצלחה יתרה. בין הניסיונות ניתן למנות את תורת המצב היציב של הרמן בונדי, תומאס גולד ופרד הויל, ואת ניסיונם של יבגני ליפשיץ ואיסק חלטניטוב הסובייטים.

ראו גם

לקריאה נוספת

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

  1. סטיבן הוקינג, קיצור תולדות הזמן, פרק 1
  2. Planck Collaboration (2015). Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters. עמוד 32
  3. Hawking, S. W.; Ellis, G. F. R. (1973). The Large-Scale Structure of Space-Time. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג'
  4. סטיבן הוקינג, "תחילת הזמן (The Beginning of Time)".
  5. אלן גות' (1998). "The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins" ‏ Vintage Books
  6. Schewe, P. (2005). "An Ocean of Quarks". Physics News Update. American Institute of Physics.728 (1).
  7. Kolb and Turner (1988), The Early Universe. פרק 6
  8. Kolb and Turner (1988), The Early Universe. פרק 7
  9. Kolb and Turner (1988), The Early Universe. פרק 4
  10. Peacock (1999), Cosmological Physics. פרק 9
  11. אבי לייב (24 בספטמבר 2014). "The habitable epoch of the early Universe". הוצאת אוניברסיטת קיימברידג'
  12. "NASA's Hubble and Spitzer Team up to Probe Faraway Galaxies". נאס"א
  13. First Second of the Big Bang", How the Universe Works". ערוץ דיסקברי (עונה 3 פרק 3)
  14. Spergel, D. N.; et al. (2003). "First year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observations: determination of cosmological parameters". The Astrophysical Journal Supplement. 148 (1): 175–194.
  15. "Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP1 ) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results". עמוד 39, טבלה 8. נאס"א/מרכז טיסות החלל גודרד
  16. 16.0 16.1 Peebles, P. J. E.; Ratra, Bharat (2003). "The cosmological constant and dark energy". Reviews of Modern Physics. 75 (2): 559–606.
  17. בזמן שידור תוכנית רדיו של ה-BBC במרץ 1949 1=Fred Hoyle: A Life in Science. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג'
  18. סתירה בין גילויו של האבל, שהעריכו את הזמן הדרוש להתפשטות בפחות מ2 מיליארד שנים לבין הערכות של אותה העת לגבי תהליכים הדרושים לבניית כדור הארץ עצמו ( 3.4 מיליארד) נפתרה בשנות ה-50, כשהאסטרונומים ואלטר באדה ואלן סאנדייג' מצאו פגמים ניכרים בהערכות המרחקים לגלקסיות עליהן התבסס האבל.
  19. Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe, Helge Kragh. עמוד 251
  20. Milne, E. A. (1935). Relativity, Gravitation and World Structure, הוצאת אוניברסיטת אוקספורד
  21. Tolman, R. C. (1934). Relativity, Thermodynamics, and Cosmology. הוצאת אוניברסיטת אוקספורד
  22. Zwicky, F. (1929). On the Red Shift of Spectral Lines through Interstellar Space. ידיעות האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית
  23. פרד הויל. (1948). A New Model for the Expanding Universe". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society". ‏ עמודים 108: 372–382.
  24. Alpher, R. A.; Bethe, H.; Gamow, G. (1948). The Origin of Chemical Elements, Physical Review
  25. Alpher, R. A.; Herman, R. (1948). Evolution of the Universe, Nature
  26. Penzias, A. A.; Wilson, R. W. (1965). "A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s". The Astrophysical Journal. ‏ עמוד 142: 419.
  27. Navabi, A. A.; Riazi, N. (2003). "Is the Age Problem Resolved?". Journal of Astrophysics and Astronomy. 24 (1–2): 3–10.
  28. Boggess, N. W.; et al. (1992). "The COBE Mission: Its Design and Performance Two Years after the launch". The Astrophysical Journal. עמוד 397: 420.
  29. pergel, D. N.; et al. (2006). "Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications for Cosmology". Astrophysical Journal Supplement. עמוד 170 (2): 377–408
  30. The Astronomy Revolution: 400 Years of Exploring the Cosmos
  31. גילוי גלי הכבידה שהתפרסם במרץ 2014 ככל הנראה טעות מדידה
  32. Steigman, G. (2005). Primordial Nucleosynthesis: Successes And Challenges, אוניברסיטת הרווארד
  33. Bertschinger, E. (2001). Cosmological Perturbation Theory and Structure Formation אוניברסיטת קורנל
  34. Bertschinger, E. (1998). Simulations of Structure Formation in the Universe, Annual Review of Astronomy and Astrophysics
  35. Bertschinger, E. (2001). Cosmological Perturbation Theory and Structure Formation אוניברסיטת קורנל
  36. Fumagalli, M.; O'Meara, J. M.; Prochaska, J. X. (2011). "Detection of Pristine Gas Two Billion Years After the Big Bang". Science. 334 (6060): 1245–9.
  37. "Astronomers Find Clouds of Primordial Gas from the Early Universe, Just Moments After Big Bang". Science Daily.
  38. "NASA Technology Views Birth of the Universe". נאס"א
  39. Perley, D. (21 February 2005). "Determination of the Universe's Age, to". אוניברסיטת קליפורניה בברקלי
  40. Srianand, R.; Noterdaeme, P.; Ledoux, C.; Petitjean, P. (2008). "First detection of CO in a high-redshift damped Lyman-α system". Astronomy and Astrophysics. 482 (3): L39
  41. Avgoustidis, A.; Luzzi, G.; Martins, C. J. A. P.; Monteiro, A. M. R. V. L. (2011). "on the CMB temperature-redshift dependence from SZ and distance measurements"
  42. Belusevic, R. (2008). Relativity, Astrophysics and Cosmology. Wiley-VCH. p. 16.
  43. Ghosh, Pallab (February 11, 2016). "Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes".
  44. Billings, Lee (February 12, 2016). "The Future of Gravitational Wave Astronomy". scientificamerican.com.
  45. Hawking, S.; Penrose, R. (27 January 1970). "The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical & Engineering Sciences. החברה המלכותית. 314 (1519): עמודים 529–548.
  46. Guth, Alan (15 January 1981). "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems". Physical Review D. 23 (2): עמודים 347–356.
  47. Kolb and Turner (1988), The Early Universe. פרק 3
  48. Griswold, Britt (2012). "What is the Ultimate Fate of the Universe?". Universe 101 Big Bang Theory. נאס"א.
  49. Adams, Fred C. & Laughlin, Gregory (1997). "A dying Universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects". Reviews of Modern Physics. 69 (2): 337–372.
  50. aldwell, R. R; Kamionkowski, M.; Weinberg, N. N. (2003). "Phantom Energy and Cosmic Doomsday". Physical Review Letters. 91 (7): 071301
סמל המכלול גמרא 2.PNG
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רישיון cc-by-sa 3.0