היקום כולו מלא בקרינה אלקטרומגנטית שנוצרה בזמן הסמוך למפץ הגדול. קרינה זאת, שהיא כמעט אחידה, מכונה קרינת הרקע הקוסמית. על הרקע התאורטי והגילוי המפתיע הזה, נספר לכם במאמר הקצר הבא.

בשנת 1964, עמלו שני מדענים ממעבדת בל בניו-ג׳רזי על התקנת אנטנת ענק שנועדה לקלוט גלי מיקרו. המדענים, ארנו פנזיאס ורוברט ווילסון הבחינו ברעש רקע קבוע שנקלט באנטנה, ללא מקור ידוע. הם ניסו להבין את מקור הרעש ובשלב מסויים, אף חשדו שמקורו בהפרעה שנגרמה מקקי של יונים. לאחר זמן מה הם הבינו שהאנטנה שלהם קולטת קרינה אלקטרומגנטית באורך גל של כמילימטר, ביום ובלילה ובאופן אחיד, כלומר בכל כיוון שהוא, ושמקור הקרינה איננו על פני כדור-הארץ [1].

באותו הזמן ממש, באוניברסיטת פרינסטון המרוחקת רק כ-60 ק״מ ממעבדת בל שקדו שלושה תיאורטיקנים בשם דיקה, פיבלס ווילקנסון על חישוב העקבות שנותרו ביקום מאז המפץ הגדול. על פי חישוביהם, סמוך למפץ הגדול נפלטה ליקום קרינה שמילאה את היקום כולו. הקרינה הזו, לפיכך, צריכה היתה להישאר ביקום עד היום. מאז שנפלטה הקרינה ועד היום התקררה הקרינה ולכן אנו צריכים לצפות בקרינה הממלאת את היקום כולו בטמפרטורה נמוכה.

שתי הקבוצות, מדעני בל והקוסמולוגים מפרינסטון נפגשו ולאחר שהבינו שהאנטנה שבמעבדת בל קלטה את הקרינה שנפלטה לאחר המפץ הגדול, החליטו לפרסם שני מאמרים מדעיים. המאמר של דיקה פיבלס ווילקנסון עסק במודל התאורטי והמאמר של פנזיאס וווילסון עסק בתגלית הנסיונית והקשר שלה למודל של מדעני פרינסטון.

פנזיאס ווילסון זכו בפרס נובל לפיזיקה בעבור התגלית החשובה של קרינת הרקע הקוסמית, שמאששת את תאוריית המפץ הגדול בשנת 1978. פיבלס זכה השנה בפרס נובל לפיזיקה בעבור תרומותיו החשובות לקוסמולוגיה.

אז מה היא בדיוק קרינת הרקע הקוסמית? בראשית חייו של היקום התקיימו בו גרעיני אטומים, אלקטרונים ופוטונים. כ-380,000 שנה לאחר המפץ הגדול, בו עסקנו במאמרים [2,3] התקרר היקום  לכדי כך שנוצרו בו אטומי מימן [3]. עד להיווצרותם של האטומים הללו, פוטונים (חלקיקי הקרינה האלקטרומגנטיות) התנגשו תדיר באלקטרונים ביקום וכך נוצרה קרינה אחידה בטמפרטורה של כ-3000 קלווין (כאשר כותבים שקרינה היא בטמפרטורה מסויימת, הכוונה היא שהקרינה הנמדדת דומה לקרינה הנפלטת מגוף שחור באותה הטמפרטורה). לאחר היווצרות האטומים, הפסיקו הפוטונים הללו להתנגש באלקטרונים, שכן היקום התמלא באטומי מימן והיקום הפך ל-״שקוף״ [4]. הסיבה לכך היא שלפוטונים בשלב הזה לא היתה מספיק אנרגייה הדרושה ליינן את אטומי המימן. הפוטונים לפיכך החלו להתקדם בחופשיות ביקום, מבלי להתנגש באטומים ולהתקרר עם התרחבות היקום. ניתן לחשב כי מאז הטמפרטורה צנחה פי כ-1100 לשיעור של 2.7 קלווין (בערך מינוס 270 צלזיוס), כלומר הטמפרטורה הנוכחית של קרינת הרקע הקוסמית. 

מאז התגלית החשובה הזו, נעשו מדידות מדוקדקות יותר של קרינת הרקע הקוסמית. אמנם הקרינה היא כמעט אחידה, אולם יש בה סטיות קלות מ-2.7 קלווין. כאשר מודדים את הקרינה בכל כיוון שהוא ניתן לראות אי-אחידות זעירה בשיעור של אחד חלקי מאה אלף, בה צפה הלוויין קובי בשנים 1989-1993 [5]. גם אי-אחידות זו מוסברת היטב בעזרת מודלים תיאורטיים של התפתחות היקום סמוך למפץ הגדול. התגלית של פנזיאס וווילסון בצרוף המפה שסיפק הלוויין קובי, מהווים אישוש מרשים לתאוריית המפץ הגדול. מאז, השתפרה מפת קרינת הרקע עוד יותר בעזרת הפרוייקט WMAP שהתקיים בשנים 2001-2010. המפה אותה סיפק WMAP היא האיור המלווה את המאמר הזה. באיור רואים צבעים שונים המציינים את אי-האחידות הזעירה בכיוונים השונים ביקום.

קרינת הרקע הקוסמית שגילו פנזיאס וווילסון היא  העדות האמפירית למפץ הגדול. ההתאמה בין המפות שסיפקו קובי ואחר-כך WMAP למודלים התיאורטיים מבססים עוד יותר את תאוריית המפץ הגדול.

מקורות:

[1] גילוי קרינת הרקע הקוסמית

[2] המפץ הגדול

[3] מיליארד השנים הראשונות של היקום

[4] קרינת הרקע הקוסמית

[5] על הגלאי קובי