כולם יודעים שהיקום נוצר במפץ הגדול, ומדמיינים איזו התפוצצות עצומה או בריאה יש מאין. הבעיה היא שזה לא נכון. ההסבר הסביר ביותר כרגע להיווצרות היקום הוא תפיחה קוסמית. איך אנחנו יודעים שהפיצוץ הזה לא היה? מה זו תפיחה קוסמית? ומה קרה בתחילת היקום?

קרינת הרקע הקוסמית

היקום הוא העצם הפיזי הגדול ביותר שקיים. גודלו כ-46 מיליארד שנות אור [1] ויש בו גלקסיות, כוכבים וגזים.

אם תכוונו את הרדיו באוטו על תדר אקראי, סביר להניח שתשמעו רעש קרקוש. רעש רקע דומה מקיף את כדור הארץ, מערכת השמש, גלקסיית שביל החלב ולמעשה את היקום כולו. זוהי קרינת הרקע הקוסמית [2] (Cosmic Microwave Background - CMB), והיא מוכרת כבר משנת 1965, מאז שזוג מדענים גילה אותה בטעות [3]. 

קרינת גוף שחור

מה יוצר את קרינת הרקע הקוסמית? ובכן, זו תופעה שנקראת "קרינת גוף שחור" [4]. קרינת גוף שחור היא קרינה אלקטרומגנטית (חשמלית) הנפלטת מכל גוף בטמפרטורה מעל האפס המוחלט. אפשר לזהות את החומר ואת הטמפרטורה על פי אורך הגל או הצבע של הקרינה הנפלטת. למעשה כל עצם שמתחמם לטמפרטורה גבוהה ולא נשרף, מתחיל לזהור. הצבע שהגוף זוהר בו תלוי בטמפרטורה של העצם ובחומר שהוא עשוי ממנו [איור 1]. ככל שהטמפרטורה עולה, הצבע משתנה מאדום ועד כחול וכך יודעים שהוא חם יותר. העין האנושית קולטת רק את הקרינה שבין אדום ובין הצבע הסגול/כחול. היקום כולו זוהר בקרינה כזו (גם אתם - ממש חיי זוהר!), בתדר שאינו נראה לנו, וזוהי קרינת הרקע הקוסמית.

איור 1: מסמר מפלדה זוהר באדום בהיר עד לבן כאשר מחממים אותו, בתלות בטמפרטורה (physics.rutgers.edu, unlicensed).

הטמפרטורה המתאימה ל"זוהר" של קרינת הרקע היא לא טמפרטורה אידיאלית ליום על החוף – כמינוס 270.5 מעלות צלזיוס. טמפרטורת היקום זהה לקרינת הגוף השחור שלו בכל כיוון שנסתכל, ומכך הסיקו מדענים שבעבר היקום היה מאוד חם ודחוס, והיום הוא פחות [5]. במילים אחרות, היקום התפשט (ועודו מתפשט [6]). אבל קרינת הרקע הקוסמית, שהיא אחידה מאוד בכל הכיוונים, לא מתיישבת עם ההסבר הזה. נסביר זאת באמצעות שני חלקיקים אקראיים, שהם המפתח לבעיית ההתפשטות והמפץ הגדול.

תורת היחסות אומרת שהמהירות המקסימלית שמידע יכול לעבור בה היא מהירות האור. כאשר אנחנו קולטים אור מגורם שמיימי, אנחנו מקבלים עליו אינפורמציה ישנה. כמה ישנה? ישנה בדיוק בפרק הזמן שבו לקח לקרן אור לעבור מאותו גרם שמיימי אלינו. כך למעשה אנחנו רואים את השמש באיחור של כ-8 דקות. אם כך, אנו רואים את קרינת הרקע הקוסמית באיחור של גיל היקום (בקירוב).

נעשה ניסוי מחשבתי. דמיינו שאתם במצפה רמון כשהכול חשוך ואפשר לראות את שמי הלילה. הצביעו לכיוון כלשהו בשמיים. אתם מופגזים בקרינה קוסמית משם.

לקרינה הזו לקח את גיל היקום כדי להגיע אליכם כעת - אפשר לומר שהחלקיק שפגע בכם כרגע נוצר אך ורק עבורכם. כעת הסתובבו 180 מעלות והצביעו על פיסת שמיים אחרת. גם משם פוגע בכם חלקיק ממש עכשיו. גם לו לקח את גיל היקום להגיע אליכם.

שני החלקיקים שפגעו בכם זהים בכל תכונה עד כדי אלפית האחוז. כלומר הם נושאים אינפורמציה זהה, למשל הטמפרטורה של המקום שהגיעו ממנו. אבל, שוויון טמפרטורה הוא תוצאה של החלפת חום! כלומר חתיכת השמיים הראשונה חייבת היתה להחליף חום, ואגב כך חלקיקים, עם חתיכת השמיים השנייה - הרי הטמפרטורה שלהן שווה.

כאן שורש הבעיה. איך ייתכן שפיסה אחת תחליף חלקיק עם פיסה אחרת, שהמרחק ביניהן גדול מהמרחק שאור עובר בזמן השווה לגיל היקום? יתרה מכך, אנחנו קולטים כעת את התמונה כפי שהייתה אז. הטמפרטורה הייתה צריכה להשתוות ורק אז, לכאורה, נפלט החלקיק שאנחנו קולטים כעת. משמעות הדבר שהחלקיק היה צריך לנוע במהירות הגדולה לפחות פי 2 ממהירות האור. זו נקראת בעיית האופק, והיא מוצגת באיור 2.

המסקנה המתבקשת היא שתורת היחסות אינה נכונה, או לחלופין, שלא היה פיצוץ ראשוני כזה [7].

איור 2: בעיית האופק - שתי פיסות השמיים, הימנית והשמאלית, לא יכלו להחליף חלקיקים ולהשוות טמפרטורה. אם כן איך זה ששתיהן באותה טמפרטורה? (Background: Planck Collaboration)

אינפלציה, אבל לא כלכלית

בשנות השמונים העלו המדענים סטרובינסקי וגות' העלו רעיון חדש: "תפיחה קוסמית" (Cosmic Inflation). במודל זה, לפני אותו שלב חם ודחוס שממנו אנו קולטים היום את קרינת הרקע הקוסמית, התקיים שלב שבו היקום תפח בצורה מואצת [8].

אזורים שבתחילה היו סמוכים והצליחו להחליף אינפורמציה, נסחפו על ידי תפיחתו המואצת של היקום במהירות יחסית גדולה ממהירות האור, ולא יכלו להחליף אינפורמציה יותר. על פי התרחיש, הם אמנם אינם מסוגלים לתקשר זה עם זה היום, אבל הצליחו בעבר ולכן ממילא הם נושאים את אותה האינפורמציה.

מודל האינפלציה מסביר יפה את הבעיות של המפץ הגדול, זו שדיברנו עליה וגם כמה שפסחנו עליהן.

נחזור להתחלה. איך הכול התחיל? אנחנו לא יודעים בוודאות, אבל כל הראיות מצביעות על כך שהיקום הנראה התפתח ממצב חם ודחוס כמו בשמש שלנו. ההסבר הסביר ביותר למצב הוא "תפיחה קוסמית" – מצב שבו היקום תופח בצורה מואצת. תורה זו מסבירה את חוסר האיזון בצפיפות החומר ביקום ואת היווצרות הכוכבים והגלקסיות. כדי למקם אותנו בחזית המדע קיימות גם תורות מתחרות ([9], [10]), אך לכל הפחות כרגע "התפיחה הקוסמית" שולטת בכיפה. 

מה קרה לפני זה? וכיצד נוצר הכול? את זה עוד ייקח לנו זמן לגלות. 

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

לקריאה נוספת:

חלופות למודל המפץ הגדול: פרד הויל, היקום הסטטי

הערכת גיל היקום: פרויקט WMAP של נאס"א

ישנם מספר תרחישים לסופו של היקום, ונראה שסופנו בחשכה: מאמר בנייצ'ר, אודות הספר המופלא של של קייטי מאק ופוסט של פרופ' עדי ארמוני.

מקורות:

[1] רדיוס היקום, קרי המרחק בשנות אור מאיתנו לקצה היקום הנראה הוא כ-46 מיליארד שנות אור. מאידך, האינפורמציה שאנחנו רואים רומזת לנו שהיקום שאנחנו מסוגלים להסיק לגביו הוא גדול בהרבה:

Bennett, C. L., The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 208, no. 2, 2013. doi:10.1088/0067-0049/208/2/20.

Planck Collaboration,, Astronomy and Astrophysics, vol. 641, 2020. doi:10.1051/0004-6361/201833910.

[2] רעש הרקע הזה הוא בתחום המיקרוגל. אפשר לחשוב על זה כתופעה קוונטית - פונקציית הגל של פוטונים נמתחת יחד עם גודל היקום; משמע, אורך הגל עולה, ותדירות הפוטון יורדת. מכאן פוטון ש"נפלט" בתחום התדרים של אור נראה (אורך גל ~ 400-700 ננומטר), יעבור תחילה לאינפרא-אדום (כמילימטר), ובסופו של דבר לגלי מיקרו (מילימטר עד 30 ס"מ). סיכום מדעי לתופעת ה-CMB: כאן וכאן.

[3] בשנת 1965 ארנו פנזיאס ורוברט ווילסון, שני מהנדסים במעבדות בל, בנו מקלט גלי מיקרוגל. בעת כיול האנטנה הם ראו שהם קולטים רעש מכל כיוון. הם שללו מקורות עירוניים ועוד הפרעות, ולאחר ניקוי המקלט מלשלשת יונים הופתעו לגלות שאות המיקרוגל עדיין קיים. הם קיבלו פרס נובל על תגליתם "קרינת הרקע הקוסמית". לקריאה נוספת: קרינת הרקע הקוסמית, ניסוי פנזיאס ווילסון. פוסט על קרינת הרקע הקוסמית של פרופ' עדי ארמוני.

[4] הבעיה הפיזיקלית של קרינת גוף שחור הייתה אחד מהכשלונות הצורמים של הפיזיקה הקלאסית, אשר בסופו של דבר הביאו לפיתוחה של תורת הקוונטים. ראו גם פה.

[5] לפוסט בסדרה שמסביר איך ולמה היקום מתפשט או נמתח מומלץ לקרוא את הפוסט הזה מאת פרופ' עדי ארמוני. הסבר בויקיפדיה כאן, ומאמר מדעי פה.

[6] בשנת 2011 הוענק פרס נובל בפיזיקה לפרלמוטר, שמידט וריס, על תגליתם אודות מצב היקום שעדיין מתנפח בצורה מואצת. דבר זה האיץ את העניין במחקר "אנרגיה אפלה" שהיא אחד מההסברים לכך. מאמרים של ריס ופרלמוטר כאן וכאן.

[7] לבעיה זו קוראים "בעיית אופק האירועים" או בקיצור "בעיית האופק": ווטסון וויקיפדיה.

[8] רבים וטובים חסרים ברשימה לעיל, למשל אנדריי לינד, פול סטיינהרדט ועוד. האינפלציה היא עוד מופע של התפשטות היקום כתוצאה מתורת היחסות הכללית. אבל בניגוד להתפשטות ה"רגילה", באינפלציה טבעה של האנרגיה שגורמת להתפשטות המואצת היא בגדר מסתורין אקזוטי. מי שיצליח למצוא ולהוכיח את טבעה, כנראה יזכה בנובל. המאמר של סטרובינסקי כאן, ושל גות' כאן.

[9] עדו בן-דיין מאוניברסיטת אריאל חוקר בין השאר את תרחיש היקום המקפץ (Bouncing Universe).

[10] רוברט ברנדברגר מאוניברסיטת מקגיל חוקר את תאוריית "גז המיתרים", וגם אצלנו בארץ לא חסרים אנשים שעובדים על תורת המיתרים ואינפלציה, למשל רמי ברושטיין מאוניברסיטת בן-גוריון.