צרות של קוסמולוגים

;מדידה חדשה של קצב התפשטות היקום – לא מתיישבת עם הקודמות לה

?האם הגיעה העת למהפכה חדשה בפיזיקה

?או: מיהו האידיוט שגרם ליקום לשנות כיוון, ומדוע דווקא הוא זכה בפרס נובל

אלברט איינשטיין טעה מעט פעמים בחייו. אמנם, הוא היה נשוי פעמיים, ואת בתו מאשתו הראשונה לא פגש מעולם; אבל טעויות אלה הן נושא למאמר אחר.

בעיסוקו המדעי, איינשטיין ידוע בעיקר בזכות המהפכות העצומות שחולל בפיזיקה המודרנית – וגם, בזכות שתי טעויות ענק, ועוד אחת קטנה יותר.

לראשונה, ככל שידוע, אלברט הצעיר טעה בחישוב של זווית הסטייה של קרן אור בעת שהיא חולפת סמוך לשמש. הטעות הזאת הייתה קריטית לצורך הוכחת נכונותה של תאוריית היחסות הכללית, עליה שקד באותם ימים, ושהתקבלה בתדהמה ובחוסר אמון. למזלו של המדען הצעיר, מלחמת העולם הראשונה מנעה את קיומה של תצפית בליקוי החמה שהתרחשה ב-21 באוגוסט 1914, תצפית שהייתה סותרת את הניבוי של איינשטיין, וכך ניתנה לו הזדמנות לתקן את החישוב. אל ליקוי החמה הבא, ב-29 במאי 1919, הוא כבר הגיע חמוש בחישוב הנכון. התצפית אישרה את חישובו, והוא התפרסם בן-לילה, והפך לסלב גם בקרב הקהל הרחב.

אך הטעויות הגדולות היו עוד לפניו. במחקריו הוא הרים תרומה עצומה לפיתוחה של מכניקת הקוונטים, אבל בה בעת הוא לא הסכים בשום אופן עם אחת מהנחות היסוד שלה – שהחלקיקים היסודיים של הטבע מתנהגים באופן אקראי ולא צפוי, ושאפשר לנבא את התנהגותם רק באופן סטטיסטי, אבל לא לקבוע לכל חלקיק מתי בדיוק ינוע ולהיכן. במכתב לידידו הטוב מקס בורן, חתן פרס נובל בעצמו, כתב את המשפט המפורסם: "אינני מאמין שהזקן (כינויו לאלוהים, או הטבע) משחק בקוביות".

זאת הייתה טעות שאותה סחב עמו עד יומו האחרון. אפילו חברו הטוב נילס בוהר, מבכירי מכניקת הקוונטים (וגם כדורגלן מוכשר), שעמו ניהל ויכוחים ידידותיים אבל נוקבים – לא הצליח לשכנעו בטעותו.

אבל הייתה עוד "טעות" אחת, שדווקא אותה איינשטיין, על פי עדותו של הפיזיקאי גאורגי גאמוב, כינה "הפשלה הכי גדולה של חיי" (התרגום העממי הזה הוא ניסיון להעביר את רוח הביטוי "The Biggest Blunder of my Life"). ודווקא היא מסתמנת כיום, 65 שנים אחרי מותו, כעוד עניין שבו איינשטיין – דווקא צדק.

ה"פשלה" המדוברת נוגעת לשאלה כיצד ייתכן שהיקום אינו קורס לתוך עצמו. המדענים סברו אז שהיקום הוא סטטי, כלומר: כל הכוכבים והגלקסיות פחות או יותר עומדים במקומם ללא ניע, ולכל היותר מסתובבים סביב עצמם באופן מקומי. אם כך הוא, היה צורך לספק הסבר, כיצד ייתכן שהגלקסיות העצומות, שמושכות זו את זו בכוח הכבידה – אינן מתקרבות זו לזו. ההסבר שנתן איינשטיין היה מפתיע בעליבותו, מבחינה פיזיקלית. הוא שיער, שישנו גורם מסתורי כלשהו, שיוצר דחייה בין גרמי השמיים, באופן שמבטל בדיוק את המשיכה הכבידתית ביניהם. את הגורם המסתורי סימן איינשטיין באות היוונית L (לאמבדה), וכינה אותו בשם הסתמי "הקבוע הקוסמולוגי". בהנחה מסוימת על גודלו של היקום, הוא חישב את גודלו של L כך שיבטל בדיוק את משיכת הכבידה. וכך, כשהכניס את L למשואותיו, הכל הסתדר. לכאורה.

והנה בשנת 1929, 14 שנים אחרי פרסום התאוריה של איינשטיין, גילה אדווין האבל, שכל היקום בעצם מתפשט וגדל (לא רעיון חדש לגמרי, אך האבל סיפק את ההוכחה לכך). הגילוי הדרמטי הביא מאוחר יותר להסיק, שהיקום נולד ב"מפץ הגדול". מעתה לא היה עוד צורך בקבוע המסורבל. אפשר היה להסביר, שהמפץ האדיר העניק לכל הגלקסיות דחיפה, ומאז הן מתרחקות זו מזו. אמנם, משיכת הכבידה ביניהן מאטה את ההתפשטות, עד שיום אחד (בעוד מיליארדים של שנים) ההתפשטות תיעצר. איינשטיין הודה ב"טעותו", פרסם מודל פשוט יותר של היקום, ומאז המשיכו המדענים להתווכח, אם ההתפשטות תיעצר באופן "אקספוננציאלי", כלומר: הכל ייעצר אט אט; או שהמשיכה חזקה כל כך, שהיא תגרום לגלקסיות לעצור, להתחיל להתקרב, ולבסוף להתנגש זו בזו ב"קריסה הגדולה".

אבל ממש לא מזמן, קרתה עוד תפנית בעלילה.

בשנת 1998, תצפיות מדויקות יותר גילו שהתפשטות היקום לא רק שאינה מואטת – היא דווקא מואצת. לתוצאה המפתיעה הגיעו שתי קבוצות של מדענים באופן בלתי תלוי – תופעה די שכיחה במדע. גם העובדה, שהמדענים עצמם הופתעו מהגילוי, ולמעשה פתחו במחקר כדי לגלות את ההיפך – מה מידת ההאטה של התפשטות היקום – סייעה להגביר את אמינות הגילוי. כותרת בניו יורק טיימס מ-10.11.2004 דיווחה: A 'Cosmic Jerk' That Reversed the Universe, כשבצד הידיעה מתנוססת תמונתו של ראש הקבוצה, ד"ר אדם ריס. מכיוון שהמילה Jerk באנגלית מציינת גם "שינוי פתאומי" וגם "אידיוט", ניתן היה להבין את הכותרת כך: "האידיוט הקוסמי (שבתמונה), שהפך את כיוונו של היקום". אגב, ה"אידיוט" הזה זכה על הגילוי בפרס נובל שבע שנים אחר כך.

 

ואיך הגיעו המדענים למסקנה הזאת? הטכניקה מורכבת מעט, אבל בואו ננסה: בכל גלקסיה יש אלפי אירועים של כוכבים מתפוצצים, הקרויים "סופרנובה". יש סוגים שונים של התופעה המרהיבה, אך סופרנובות מטיפוס "Ia" שימושיות במיוחד למחקר המדעי, מכיוון שעוצמת הקרינה מהן זהה בכולן, וידועה לאסטרונומים (בסיוע של ייצור נוסף המכונה "כוכב משתנה ספאידי"), ולכן כוכבים אלה מסווגים כ"נרות תקניים". עוצמת האור שמגיע אלינו מכל מקור אור יורדת ככל שהמרחק ממנו גדל (וקל להראות, שהעוצמה יורדת בהתאם למרחק בריבוע). לכן, עוצמת האור שמגיע אלינו מסופרנובה (מה שקרוי "הבהירות הנראית" שלה) קטנה ככל שהיא רחוקה יותר. ממדידה של היחס בין הבהירות הידועה, לבין הבהירות הנראית, אפשר לחשב את המרחק אליה. במקביל, ניתן למדוד את הספקטרום של יסודות ידועים מהסופרנובה (כמו מימן, הליום ואחרים), כלומר למדוד באיזה אורך גל אנחנו רואים את ספקטרום הפליטה (הידוע לנו) של כל יסוד. והנה, מסתבר שאורכי הגל של הפליטות האלה מוזזים לעבר אורכי גל ארוכים יותר – בגלל "תופעת דופלר" (שאותה אנחנו חווים כשאנו שומעים אמבולנס צופר שמתקרב אלינו, עובר אותנו ואז מתרחק, לקול סירנה בצליל נמוך יותר). הזזה זו נקראת "הסחה לאדום", ומידת ההסחה היא מדד מדויק למהירות ההתרחקות של כל גלקסיה מאתנו. והנה, שכשמודדים את מהירות ההתרחקות של גלקסיות שונות, וכשהולכים אחורה בזמן (כלומר, צופים בגלקסיות יותר ויותר רחוקות מאתנו) – מסתבר, שמהירות הגלקסיות השתנתה עם הזמן; היא הואטה בתחילה, ולפתע לפני כ-4 מיליארד שנים החלה להיות מואצת. ממדידות אלה, ניתן להסיק את הקצב שבו מתפשט היקום כיום (קצב הידוע בשם "קבוע האבל" ומסומן ב-H0) – שעל פי חישוב המבוסס על תצפית הסופרנובות, עומד כיום על כ-73 (היחידות של המספר לא חשובות לעניינו, אבל למי שמעוניין: 73 ק"מ לשניה לכל מגה-פרסק של מרחק).

הגורם לשינוי הדרמטי במהירות ההתפשטות, על פי ההצעה המקובלת, ידוע בשם "האנרגיה האפלה". זוהי בלי ספק אחת התגליות החשובות ביותר בפיזיקה של סוף המאה העשרים. היא הובילה לבנייה של מודל של היקום, הידוע בשם " L -CMR", או "לאמבדה של חומר אפל וקר", מודל שמסביר באופן מצוין תצפיות רבות. הגודל המסתורי L גורם לדחייה בין הגלקסיות – דחיה המתגברת, באופן בלתי צפוי, ככל שהמרחק גדל – בדיוק כפי שצפה איינשטיין! האות L נבחרה כדי לציין את שובו של הקבוע של איינשטיין, ודרך הדלת הקדמית.

ומדוע כל זה חשוב? ראשית, הגורם החדש-ישן משפיע על חישוב הגיל של היקום, כפי שיוסבר בהמשך. אבל הרבה יותר חשובה השאלה, ממה בעצם עשוי היקום? על פי החישובים העדכניים, כדי שהמודל שבידינו יתיישב עם התצפיות, ובהנחה שיש דבר כזה "אנרגיה אפלה" – אז היא צריכה להוות כ-73% מתכולת היקום כולו, בשעה ש"החומר האפל" מהווה עוד 23%. מתוך המעט שנשאר, 3.5% תופסים סתם ענני אבק וגז שבין הגלקסיות. כלומר, אנחנו, כל הפלנטות, הכוכבים ומיליארדי הגלקסיות – כולנו ביחד מהווים רק חצי אחוז מהיקום! להשוואה, זה בערך החלק של היהודים מתוך אוכלוסיית העולם כולו. המחשבה, שכמעט כל היקום עשוי מחומרים שאין לנו מושג מה הם ולאילו חוקים הם מצייתים, וכל זה כיום, בשיא ההתקדמות של המדע, אחרי שהיה נדמה לנו שרוב חוקי הפיזיקה כבר התגלו – מחשבה כזאת היא ממש בלתי נסבלת.

בגלל החשיבות העצומה של המודל להבנה של תוכנו של היקום, מדענים מחפשים שיטה נוספת למדידת קצב ההתפשטות, שאינה תלויה בשיטה הראשונה. אי התלות מבטיחה, ששתי השיטות אינן מתאמות עדויות ביניהן, כדי להטעות אותנו. ושיטה שניה נמצאה עד מהרה (כלומר, כעבור 10 שנים).

קרינת הרקע הקוסמית (CMBR), היא תשדורת מיום הולדתו של היקום, שמהווה את אחת הראיות החזקות ביותר בזכות תאוריית "המפץ הגדול". בשנת 1993, לוויין בשם COBE גילה שינויים זעירים בעוצמת הקרינה המגיעה מנקודות שונות ביקום, ולוויין נוסף בשם WMAP מדד את השינויים במדויק. מידת השונות של העוצמה שמגיעה מאזורים קרובים לעומת רחוקים, היא מדד טוב למידת ההתפשטות של היקום. על סמך מדידות אלה הסיקו המדענים ב-2003, שקצב ההתפשטות הנוכחי הוא כ-70. תאמרו – זו תוצאה די קרובה ל-73, לא? אז זהו, שכן ולא.

לכל מדידה שמבצעים במחקר מדעי, חייבים להוסיף שני דברים: את יחידות המדידה (שבמקרה שלנו לא חשובות לצורך ההסבר), ואת טווח הטעות האפשרי. טווח הטעות אינו מושג סטטיסטי כמו סטיית תקן, אלא זהו גודל דטרמיניסטי: בכמה עלול מכשיר המדידה לטעות. אין מכשיר מדידה מדויק לחלוטין. אז התוצאה של WMAP הייתה בהתחלה 70, פלוס-מינוס 5. כלומר, ייתכן שהמספר הנמדד הוא בעצם 73, שזה המספר שהתקבל ממחקר הסופרנובות! לכן, כל עוד טווח הטעות היה גדול – אפשר היה לומר שהתוצאות מסכימות זו עם זו.

אבל... ככל שמתרבים המחקרים ומשתכללים אמצעי המדידה – טווח הטעות הולך וקטן. וכך יוצא שכיום, התוצאות הקרובות ביותר משתי השיטות הן: 73-2=71 בשיטת הסופרנובות (בשיטת H0LiCOW); ואילו מקרינת הרקע: 69+0.8=69.8 מ-WMAP, 67.7+0.4=68.1 מהלוויין החדיש ביותר לצפייה בקרינת הרקע, ששמו פלאנק.

ההפרש הגדול בין 73 לבין 68 מאד מטריד את המדענים, כי הוא מטיל צל כבד על נכונותו של מודל ה-CDM. בין היתר, גודלו של קבוע ההתפשטות משפיע מיד על ההערכה של גיל היקום. כיום, הקביעה שערכו של הקבוע הוא כ-68, מובילה להערכה המקובלת במודל CDM, שהיקום נולד במפץ גדול לפני 13.8 מיליארד שנים. אולם אם יתברר שהיקום מתפשט בקצב מהיר יותר של 73, לא יהיה מנוס מהמסקנה, שהאור מהסופרנובות עושה ליקום טוב לעור הפנים, ובגללו היקום נראה צעיר בכמה מאות מיליוני שנים.

והנה לאחרונה דיווחו חוקרים ממצפה הרדיו-אסטרונומיה הלאומי של ארה"ב (NRAO) על שיטה שלישית לחישוב קבוע ההתפשטות: שיטת "מייזר". בדומה ל"לייזר", מייזר הם ראשי-תיבות של "הגבר מיקרוגל באמצעות פליטה מאולצת של קרינה". בשיטה זו מודדים את ההסחה לאדום של גלי-מיקרו שנפלטים מגופים שיש בהם מים, כתוצאה מכך שאותם גופים מקיפים גוף מסיבי כמו חור שחור, ומקבלים שתי תוצאות: אחת קטנה יותר, כאשר הכוכב נמצא בחלק המסלול ש"מתקרב" אלינו, ואז הוא מתרחק מאתנו יותר לאט; והשנייה גדולה, כאשר הוא בחלק השני של המסלול, ואז הוא מתרחק יותר מהר. היחס בין התוצאות הוא מדד לגודל האמיתי של החור השחור, וניתן להסיק את מרחק הגלקסיה ואת מהירות התרחקותה מאתנו, מהשוואה בין הגודל האמיתי של החור השחור לבין הגודל שאנחנו רואים (נכון, לא ניתן לראות חור שחור, אבל אפשר להסיק את גודלו בדרך אחרת). ואת כל זה עושים לא בשיטה של בהירות, אלא של גודל. וגודל אפשר למדוד יותר במדויק, וכך לחשב את הקבוע H0 בדרך שלישית, מדויקת יותר (אולי).

והתוצאה? – לא מסכימה אף לא עם אחת התוצאות הקודמות: 76... או 74. אז עדיין יש לנו חידה.

הסברים? כאלה תמיד יימצאו, אבל כרגע, הם בגדר ניחושים בלבד. המודל שעל פיו מחושב קבוע ההתפשטות באמצעות קרינת הרקע, מניח שיש חומר נראה, חומר אפל, ואנרגיה אפלה. אבל אם יש עוד משהו – כי אז המודל שגוי, או חסר. ואם הוא יתוקן כראוי, ייתכן שהתוצאה שתתקבל תתיישב יפה יותר עם תוצאות הסופרנובה.

אולי הגורם האחראי להאצה, אותה אנרגיה-אפלה מסתורית, מגיבה עם החומר האפל, באופן שכרגע המדענים לחלוטין לא מבינים; אולי יש אי-סדירויות קוונטיות, שמשפיעות על ההסחה לאדום באופן שונה באזורים שונים של היקום; ואולי בנוסף לכבידה, הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החזק והחלש – אולי יש כוח מסוג חמישי, שמעולם לא נתקלנו בו? מי יודע.

ויש כיום גם שיטה רביעית: קבוצה בראשותה של וונדי פרידמן מאוניברסיטת שיקגו טוענת, שצפייה בכוכבים המכונים "ענקים אדומים", בשילוב עם סופרנובות מטיפוס Ia, עשויה לתת תוצאה מדויקת יותר. ענק אדום (שאגב, הוא הגורל הצפוי לשמש שלנו) מסיים את חייו כמו ברבור – בפרץ אחרון של אנרגיה, כאשר ההליום שנוצר בגרעינו מוצת ובוער. מכיוון שכך הוא, הבערה הזו היא תמיד באותה עוצמה, מה שמאפשר למדענים להשתמש בו כ"נר תקני", ועוד כזה שלא מזוהם באבק ובאור של כוכבים אחרים מסביבו. לכן, לטענתה של פרידמן, התוצאה שקיבלו, 70 עם שגיאה של 2, מדויקת יותר מהאחרות. לא זו אף זו – פרופ' פרידמן אף טוענת, שבאמתחתה תוצאת מדידה נוספת, בטכניקה שאת טיבה היא עדיין מסרבת לגלות, שתומכת בתוצאה הראשונה.

ועוד שיטה: מידת ההצטופפות של צבירי גלקסיה, גם היא נותנת מדד לקצב ההתפשטות. שיטה זו מספקת מספר שבין 68 ל-72, ועדיין – לא מספיק קרוב אף לאחד מהם.

אז מי צודק? ימים יגידו.

בעתיד הקרוב מקווים המדענים לרתום את האינטרפרומטרים הענקיים של LIGO ו-VIRGO, האחראיים לגילוי המסעיר של גלי הכבידה ב-2016, כדי לבצע מדידה עצמאית של קבוע ההתפשטות.

יכולתם לחשוב, שהמדענים יתאכזבו מרה מהתוצאות הסותרות, שעלולות לקעקע את שמו הטוב של המדע כאמצעי להסבר של הטבע. אך ראו זה פלא: רבים מהם דווקא מרוצים. הם מעריכים, שאין טעות במדידות, ושהחישובים, שעברו ביקורת עמיתים מדוקדקת – נכונים. על כן, אי-ההסכמה מצביעה על חוק או חוקים חדשים בפיזיקה, שעדיין מחכים למגלה שלהם (ולנובל שמחכה לו לבטח); והאופציה הזאת מרגשת אותם יותר מאשר תחושת הנינוחות החמימה של המוכר והידוע...

על כן, המסר לילדים של היום הוא: המדע ממש לא סיים לגלות הכל. אז רוצו ללמוד אסטרופיזיקה וקוסמולוגיה, כי בשנים הבאות, כשאתם תהיו בגיל של מדענים צעירים – מחכות לכם חידות יותר ויותר מסעירות, שפתרונן עשוי לחולל מהפכות חדשות במדע.

מקור:

https://astronomy.com/magazine/news/2019/04/cosmic-conundrum-just-how-fast-is-the-universe-expanding

פרופ' אלכס פיליפנקו:

https://www.youtube.com/watch?v=gniDHWq0R_Q

בריאן קוברליין:

https://www.youtube.com/watch?v=qDfSe4sjmNw

 

אלכס פיליפנקו, שהיה שותף לשני הצוותים המתחרים שהביאו לגילוי המסעיר של "האנרגיה האפלה" (וטוען שעצם קיום התחרות והרצון להקדים את המתחרה – הרימו תרומה עצומה הן לדיוק של המדידות, והן לקיצור זמני המחקר) – והוא היחיד שעבד בשני הצוותים – נשמע די מאוכזב, שלמרות תרומתו הגדולה הוא לא זכה לקבל את הנובל; הוא אוהב להדגיש, שבאופן שבו מתנהל המחקר המדעי כיום, עם כמויות המידע העצומות שיש לעבד, הישגים כאלה רק בעבודה בצוותים גדולים, ולא של יחידים. אשתו נואל דאגה לפצות אותו בדרך מקורית – פרס ניחומים לכל הצוות, בדמות חולצת-טי ועליה הכתובת: Dark Energy is the New Black.