בסדרת מאמרים קודמים סקרנו את תאוריית המפץ הגדול. במאמר זה נסקור את השנים הראשונות בחייו של היקום: התהוות החומר, האטומים ובעקבות זאת הכוכבים והגלקסיות.

המפץ הגדול [1] הוא  אירוע דרמטי שהתחולל לפני כ-13.8 מיליארד שנה ומציין את ראשיתו של היקום כפי שאנו מכירים אותו. איננו יודעים לבטח מה קרה לפני כן, אולם קיימים מספר תרחישים לגבי זה [2]. מיד לאחר המפץ הגדול התחוללה, ככל הנראה, תקופה קצרה בה היקום תפח במהרה [3]. כיצד נוצר החומר אותו אנו רואים עכשיו ומתי נוצרו גלקסיות וכוכבים? בזה נדון במאמר זה. סקירה רחבה יותר של קיצור תולדות ילדות היקום ניתנת במקורות המצורפים [4,5].

בעת המפץ הגדול טמפרטורת היקום היתה כה אדירה  שהיא לא אפשרה קיומם של אטומים או אף גרעיני אטומים, שכן בטמפרטורות גבוהות כל מבנה ניתך למרכיביו. התהוות הגרעין והאטומים התאפשרה רק כאשר היקום התקרר מספיק. המנגנון הפיזיקלי מאחורי תיאור זה הוא פשוט: כדי ליצור מבנה (״מצב קשור״) דרושה אנרגיה הנקראת ״אנרגיית קשר״. כאשר הטמפרטורה (כפול מספר הנקרא קבוע בולצמן) גבוהה מאנרגיית הקשר, המבנה ניתך למרכיביו, שכן האנרגיה התרמית מומרת לאנרגיית קשר ומפרקת את המבנה. לפיכך לא ניתן ליצור מבנה בטמפרטורה הגבוהה מאנרגיית הקשר שלו.

בשעת המפץ הגדול שררה ביקום טמפרטורה של יותר מעשר בחזקת 32 קלווין (טמפרטורה זאת מתאימה לאנרגיה גבוהה הנקראת אנרגיית פלאנק). עם הזמן, היקום התקרר ככל שהוא התרחב.

במיליונית השניה הראשונה של היקום הוא כלל רק חלקיקים יסודיים, כגון קוורקים, אלקטרונים ופוטונים. פחות משניה אחר כך, היקום התקרר לטמפרטורה של כמיליארד קלווין, בה אנרגיית הכוח החזק גבוהה מספיק בכדי שקוורקים ימשכו זה לזה ויצרו חלקיקים בשם באריונים, ובפרט פרוטונים וניוטרונים. כל פרוטון ונויטרון מורכבים משלושה קוורקים אשר ״כלואים״ יחדיו [6].

איור 1: הדמייה של הקווארקים המרכיבים את הפרוטון

בהמשך שניותיו הראשונות של היקום, הטמפרטורה ירדה עד למליוני קלווין, הפרוטונים והנויטרונים נמשכו זה לזה בעזרת הכוח החזק וכך נוצרו גרעיני האטומים הקלים: מימן, הליום וליתיום.

מספר שניות לאחר המפץ הגדול התקיימו גרעינים של אטומים, אולם גם בשלב זה הטמפרטורה גבוהה מדי בכדי שהאלקטרונים ייקשרו אל גרעיני האטום. במשך כ 380,000 שנה היקום איננו קר מספיק בכדי ליצור אטומים -- הטמפרטורה גבוהה מכדי שתאפשר לאלקטרונים להיקשר אל הגרעינים. לבסוף, לאחר תקופה ארוכה זאת סוף סוף נוצרים האטומים הקלים. טמפרטורת היקום בשלב הזה היא אלפי קלווין. קרינת הרקע הקוסמית שנצפית כיום, מקורה באור שנפלט אז.

במשך מליון שנותיו הראשונות כלל היקום אטומים, אולם האטומים הללו לא יצרו מבנים מאקרוסקופיים, קרי כוכבים וגלקסיות. הכוכבים הראשונים נוצרו רק אחר-כך, עקב כוח הכבידה שמשך את האטומים זה לזה. לבסוף, לאחר כמאות מליוני שנה, החלו להווצר הגלקסיות הראשונות. הגלקסיה העתיקה ביותר שנצפתה נקראת GN-z11 והיא נוצרה כחצי מילארד שנים לאחר המפץ הגדול  [7]. סרטון יפה, בו תצלום של הגלקסיה מצוי כאן [8].

היקום ממשיך להתרחב וממשיך להתקרר. מה יהיה בסופו? אין אנו יודעים בוודאות אולם ייתכן שבעוד זמן רב, כעשר בחזקת 35 שנים, הבאריונים, בפרט הפרוטונים [9], יתפרקו כולם. או אז היקום ייהפך למקום קר ומשעמם, בוודאי ללא חיים.
עדי ארמוני הוא פרופסור לפיזיקה תאורטית

מקורות:

[1] על המפץ הגדול

[2] על מה שקדם למפץ הגדול

[3] על צורתו של היקום

[4] על היקום המוקדם

[5] על כרונולוגיית היקום

[6] על הכוח החזק וכליאת הקוורקים

[7] על המדידה הרחוקה ביותר של גלקסיה (התמונה הראשית) 

[8] סרטון על המדידה הרחוקה ביותר של גלקסיה

[9] על דעיכת פרוטונים