זוכה נובל פרופ' פיבלס חשף את הסודות שמאחורי הקרינה הקוסמית - הידען

זוכה נובל פרופ' פיבלס חשף את הסודות שמאחורי הקרינה הקוסמית - הידען

חתן פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2019 James Peebles לקח על עצמו להתמודד מול היקום כולו, על כל מיליארדי הגלקסיות וצברי הגלקסיות שבתוכו. המסגרת התיאורטית שהוא פיתח במשך שני עשורים מהווה את הבסיס להבנתו המודרנית באשר להיסטוריה של היקום, החל מהמפץ הגדול וכלה בימינו אלו כותבים חברי  וועדת הפרס. בכתבה זו נביא הרחבה על חשיבות תגליתו של פרופ' פיבלס

פרס נובל בפיזיקה לשנת 2019 מוענק עבור תובנות חדשות אודות המבנה וההיסטוריה של היקום, ועבור הגילוי הראשון אי פעם של כוכב לכת החג מסביב לכוכב דמוי-שמש מחוץ למערכת השמש שלנו. תגליות אלו שינו לעד את ההבנה שלנו באשר לעולם בו אנו חיים.

חתן פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2019 James Peebles לקח על עצמו להתמודד מול היקום כולו, על כל מיליארדי הגלקסיות וצברי הגלקסיות שבתוכו. המסגרת התיאורטית שהוא פיתח במשך שני עשורים מהווה את הבסיס

להבנתו המודרנית באשר להיסטוריה של היקום, החל מהמפץ הגדול וכלה בימינו אלו.

הבראשית של קוסמולוגית המפץ הגדול

חמשת העשורים האחרונים מהווים את תור הזהב של עולם הקוסמולוגיה, חקר הבריאה וההתפתחות של היקום שלנו. בשנות השישים, הונחה התשתית שתסיט את תחום הקוסמולוגיה מהשערות בלבד למדע מוצק. חוקר המפתח בשינוי זה היה ג'יימס פיבלס, אשר התגליות המוכחות שלו שמו את תחום הקוסמולוגיה על המפה המדעית, תוך שהוא מעשיר את מלוא התחום המחקרי הזה. הספר הראשון שהוא פרסם קוסמולוגיה פיזיקלית (1971), נתן השראה לדור שלם של פיזיקאים שהמשיכו לתרום להתפתחותו של התחום, לא רק באמצעות השערות תיאורטיות אלא גם על בסיס תצפיות ומדידות. המדע, ורק הוא, יוכל לתת תשובות לשאלות הבסיסיות באשר למקור מוצאנו ולמקום שאליו אנו מתקדמים; תחום הקוסמולוגיה השתחרר מרעיונות אנושיים כמו אמונה ומשמעות קיומית. התפתחות זו מהדהדת את המילים של אלברט איינשטיין מתחילת המאה הקודמת שקבע כי התעלומה של העולם היא הבנתו המלאה.
הסיפור של היקום, נרטיב מדעי של התפתחות התבל, הפך למוכר רק במהלך מאה השנים האחרונות. קודם לכן, היקום נתפס בתור מבנה נייח ונצחי, אולם בשנות העשרים אסטרונומים גילו כי כל הגלקסיות נעות הרחק זו מזו וגם מהגלקסיה שלנו. היקום מתרחב. כעת אנו יודעים שהיקום הנוכחי שונה מזה של אתמול והוא יהיה שונה גם מזה של מחר.
מה שהאסטרונומים ראו בשמים כבר נחזה על ידי אלברט איינשטיין במסגרת תורת היחסות עוד בשנת 1916, התאוריה המהווה היום את הבסיס של כל החישובים בקנה מידה גדול של היקום. כאשר איינשטיין גילה שהתיאוריה שלו מובילה למסקנה כי היקום מתפשט, הוא הוסיף סייג למשוואות שלו (הקבוע הקוסמי) אשר יאזן את ההשפעות של כוח המשיכה ובלעדיו היקום יהפוך ליקום שעומד מלכת. במשך העשור שלאחר מכן, מרגע שהתפשטות היקום נצפתה בברור, סייג זה לא נדרש יותר. איינשטיין התייחס לסייג זה בתור המשגה הגדול בחייו. לא היה לו כל מושג שהקבוע הקוסמולוגי יחזור לקדמת הבמה המדעית של תחום הקוסמולוגיה בשנות השמונים, לא מעט בזכות תרומותיו המחקריות של ג'יימס פיבלס.

תמונת ילדות של היקום
במפה הזאת, שנבנתה על סמך התצפיות של החללית פלאנק ששיגרה סוכנות החלל האירופית, אפשר לראות את קרינת הרקע הקוסמית בגלי־מיקרו (CMB), האור הנצפה הקדום ביותר של היקום, והיא נותנת לנו את התמונה הטובה ביותר מעולם של היקום בימי ילדותו המוקדמים. השטחים הכחולים בשמים מייצגים נקודות שבהן הטמפרטורה של קרינת הרקע, וממילא גם של היקום המוקדם, היא נמוכה יותר, והאזורים האדומים משקפים מקומות חמים יותר. תומכי תיאוריית האינפלציה, תיאוריה הגורסת שהיקום התפשט במהירות ברגעיו הראשונים, טוענים שתבנית הנקודות הקרות והחמות עולה בקנה אחד עם הרעיון הזה. ואולם, התיאוריה יכולה למעשה לייצור כל תבנית, וברוב הגרסאות שלה היא מייצרת הבדלי טמפרטורה גדולים יותר ממה שהמפה הזאת מראה. יותר מזה, אם האינפלציה אכן התרחשה, קרינת הרקע הייתה צריכה לכלול ראיות לגלי כבידה קוסמיים, אדוות במרחב־זמן שנגרמו על ידי המתיחה הקדומה, אבל היא אינה כוללת ראיות כאלה. במקום זאת, נתוני פלאנק מגלים שהסיפור האמיתי של תולדות היקום שלנו עדיין רחוק מסיום. מקור: ESA and the Planck Collaboration.

הקרניים הראשונות של היקום חושפות הכל

התפשטות היקום משמעותה שבעבר הוא היה הרבה יותר דחוס וחם. במחצית המאה העשרים ראשיתו של היקום קיבלה את השם ’המפץ הגדול’. אף אחד לא ממש יודע מה התרחש בבראשית, אולם היקום הראשוני היה גדוש באסופה דחוסה, יוקדת ועמומה של חלקיקים, אשר בחשיפה אליהם, חלקיקי האור, פרוטונים, פשוט ניתרו מסביב.

נדרשו כמעט ארבע מאות אלפי שנים של התפשטות בכדי שאסופה קדמונית זו תתקרר לכדי כמה אלפי מעלות צלזיוס. החלקיקים המקוריים יכלו לחבור יחדיו, תוך יצירת גז שקוף שהורכב ברובו מאטומי מימן והליום. רק עכשיו יכלו הפוטונים לנוע בחופשיות כך שהאור יכול היה לעבור דרך החלל. קרניים ראשונות אלו עדיין ממלאות את היקום. התפשטות החלל הביאה להרחבת הגלים בתחום האור הנראה כך שהם הפכו לגלים בתחום המיקרוגל הבלתי נראה, עם אורך גל של מילימטרים אחדים.

הבוהק מבריאת היקום נלכד לראשונה במקרה, בשנת 1964, על ידי שני אסטרונומים אמריקאים: חתני פרס הנובל לשנת 1978 רוברט ווילסון (Robert Wilson) וארנו פנזיאס (Arno Penzias). הם לא הצליחו למדוד את הרעש הקבוע שהאנטנה שלהם קלטה מהחלל, ואז הם ניסו למצוא תשובה במחקריהם של אחרים, לרבות במחקרו של ג'יימס פיבלס, אשר ניסח חישובים תיאורטיים של קרינת רקע זו. לאחר כמעט ארבע עשר מיליוני שנים, הטמפרטורה שלה צנחה לקרוב לאפס המוחלט (מינוס 273 מעלות צלזיוס). פריצת הדרך המשמעותית הגיעה כאשר פיבלס הבין שטמפרטורת הקרינה יכולה לספק מידע באשר לכמות החומר שנוצר ברגע המפץ הגדול, והבין כי כמות זו תוכל לקבוע כמה חומר יוכל לאחר מכן ליצור את הגלקסיות ואת צברי הגלקסיות שנמצאות כיום ביקום.

הגילוי של קרינת המיקרו הביא לעולם את העידן החדש של הקוסמולוגיה המודרנית. הקרינה הקדמונית מבריאתו של היקום הפכה למכרה זהב המסתיר בתוכו את התשובות לכמעט כל השאלות שהקוסמולוגיים רוצים לענות אליהן – מה גילו של היקום? מהו יהיה גורלו? מהי כמות החומר והאנרגיה הקיימים בתוכו?

מדענים מסוגלים למדוד עקבות של הרגעים הראשונים ביותר של היקום בעזרת זוהר קדמוני זה, שינויים זעירים המתקדמים כמו גלי קול דרך האסופה הבראשיתית הזו. ללא שינויים זעירים אלו, היקומים היו מתקררים מכדור אש חם לכדי תוהו ובוהו אחיד וקפוא. אנו יודעים היום שהתרחשות זו לא קרתה, ושהחלל גדוש בגלקסיות, שבדרך כלל נאספו לכדי צברי גלקסיות. קרינת הרקע חלקה ואחידה, בדומה לפני השטח של מי האוקיאנוסים; הגלים מתגלים מקרוב, אדוות החושפות את השינויים הזעירים שקרו מאז היקום המוקדם.

מחקר אחרי מחקר, ג'יימס פיבלס הוביל את הפשר של עקבות קדמוניים אלה שהחלו מאז העידנים הקדומים ביותר של היקום. ברמת דיוק מדהימה, קוסמולוגים הצליחו לספק תחזיות באשר לשינויים בקרינת הרקע ולהראות כיצד הם משפיעים על החומר והאנרגיה ביקום.

פריצת הדרך הראשונה מבחינת תצפית הגיעה באפריל שנת 1992, כאשר חוקרים ראשיים במיזם הלוויינים האמריקאי COBE פרסמו תמונה של הקרניים הראשונות אי פעם ביקום (פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2006 הוענק לשני החוקרים ג 'ון קרומוול מאת'ר וג'ורג' סמוט). לוויינים אחרים (WMAP האמריקאי וטלסקופ החלל פלאנק) הגבירו בהדרגה את כושר ההפרדה של התמונות מהיקום הצעיר. בדיוק כפי שנחזה, השינוי בטמפרטורת קרינת הרקע נמדד כמאית האלפית של מעלת צלזיוס. עם השיפור ברמת הדיוק, החישובים התיאורטיים של החומר והאנרגיה הנכללים ביקום הפכו למדידות מדויקות, כאשר תשעים וחמישה אחוזים מכמות זו חבויים מאתנו.

ציוני דרך בהתפשטות היקום. מתוך ויקיפדיה

חומר אפל ואנרגיה אפלה

התעלומה הגדולה ביותר בתחום הקוסמולוגיה החל משנות השלושים של המאה הקודמת היא שאנו יודעים שכל מה שאנו רואים זה לא כל מה שיש שם בחוץ. מדידות של מהירויות הסיבוב של הגלקסיות מצביעות על כך שהן חייבות להישמר יחדיו על ידי כבידה הנובעת מחומר בלתי נראה, שכן אחרת הן תיקרענה לגזרים אחת מהשנייה. החוקרים שיערו כי חומר אפל זה הוא בעל תפקיד חשוב במוצא הגלקסיות, הרבה לפני שאסופת החלקיקים היוקדת התקררה ונרגעה לה.

ההרכב של החומר האפל נותר אחד מהתעלומות הגדולות ביותר בתחום הקוסמולוגיה. מדענים סברו מזה זמן רב כי החלקיקים הידועים כבר בתור נויטרינו עשויים להרכיב את החומר האפל הזה, אולם המספר הבלתי נתפס של נויטרינו קלי-משקל החוצים את החלל במהירות הקרובה למהירות האור מהירים מדי על מנת לסייע בשמירת החומר יחדיו מבלי שיתפרק. במקום זאת, הציע פיבלס שהחלקיקים הכבדים והאיטיים של חומר אפל קר יוכלו להיות האחראים לכך. אנו עדיין מחפשים את החלקיקים הבלתי ידועים הללו המרכיבים את החומר האפל הקר, אשר נמנעים מלהגיב עם חומר ידוע ואשר מהווים עשרים ושישה אחוזים מתכולת היקום.

בהתאם לתיאורית היחסות הכללית של איינשטיין, הגיאומטריה של החלל שזורה בכבידה – ככל שהיקום מכיל יותר ויותר מסה ואנרגיה, כך היקום הופך לעקמומי יותר. בערך קריטי של מסה ואנרגיה היקום אינו עקמומי. סוג כזה של יקום, שבו שני קווים מקבילים לעולם לא יחצו זה את זה, מכונה יקום שטוח. שתי אפשרויות אחרות הן יקום המכיל מעט מדי חומר, עובדה שתוביל ליקום פתוח שבו שני קווים מקבילים יסתעפו זה מזה בסופו של דבר, או יקום סגור עם יותר מדי חומר, שבו שני הקווים המקבילים יחצו זה את זה סופו של דבר. מדידות של קרינת רקע קוסמית, בשילוב עם חישובים תיאורטיים, מספקים תשובה ברורה – היקום שטוח. אולם, החומר שיקום כזה מכיל מספיק רק לשלושים ואחד אחוזים מהערך הקריטי, ערך שכולל חמישה אחוזים של חומר רגיל ועשרים ושישה אחוזים של חומר אפל. מרבית התכולה, שישים ותשעה אחוזים, הייתה חסרה. ג'ימס פיבלס סיפק שוב פתרון מהפכני. בשנת 1984 הוא תרם להחיות את הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין, שהוא האנרגיה של חלל ריק. אנרגיה זה מכונה האנרגיה האפלה והיא מהווה שישים ותשעה אחוזים מהיקום. יחד עם חומר אפל קר וחומר רגיל, אנרגיה זו מספקת על מנת לבסס את הרעיון של יקום שטוח.

אנרגיה אפלה נותרה רק בגדר תיאוריה במשך ארבע עשרה שנים, עד לרגע שבו התגלה, בשנת 1998, כי היקום מתפשט באופן מואץ (פרס נובל בפיזיקה לשנת 2011 לחוקרים סול פרלמוטר, בריאן שמידט ואדם ריס). משהו שאינו חומר חייב להיות האחראי להתפשטות המואצת – אנרגיה אפלה בלתי ידועה דוחפת את הגלקסיה החוצה. פתאום, תוספת תיאורטית זו הפכה למציאות שתוכל להיות נצפית בחלל.

גם החומר האפל וגם האנרגיה האפלה מהווים כיום את אחת מהתעלומות הגדולות ביותר בתחום הקוסמולוגיה. הם מתגלים רק בעקבות ההשפעה שלהם על סביבתם – אחד מושך, השני דוחף. מלבד זאת, לא ידוע דבר אודותיהם. אילו סודות כמוסים בצדו האפל הזה של היקום? איזה סוג של פיזיקה חדשה חבויה מאחורי הבלתי ידוע? אילו סודות נוספים נחשוף במהלך הניסיונות שלנו לפתור את התעלומות של החלל?

ראו גם ראיון עם עמיתו של פרופ' פיבלס, פרופ' יואל רפאלי מאוניברסיטת תל אביב: "זוכה הנובל ג'ים פיבלס הוביל את המחקר התיאורטי בקוסמולוגיה במשך עשורים"

וכן ידיעה על הזכיה:מגלי כוכב הלכת הראשון מחוץ למערכת השמש ומפתח התיאוריה הקוסמולוגית זכו במשותף בפרס נובל לפיזיקה

Let's block ads! (Why?)

2019-10-08 13:24:56Z
https://news.google.com/__i/rss/rd/articles/CBMiRWh0dHBzOi8vd3d3LmhheWFkYW4ub3JnLmlsL3RoZS1zZWNyZXQtYmVoaW5kLWNvc21pYy1yYWRpYXRpb24tMDgxMDE5NtIBAA?oc=5
52781621823217

Bagikan Berita Ini