במהלך חודש מרץ 2014 הכריזה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד על תגלית מרעישה. החוקרים ניתחו מידע שהתקבל מטלסקופ בקוטב הדרומי (BICEP2) וגילו תבניות בקרינת הרקע הקוסמית. התבניות האלה נוצרו על ידי גלי כבידה שנוצרו מתהליך האינפלציה הקוסמית (Inflation) שהתרחש מיד אחרי המפץ הגדול.
התיאור הזה, שגם הוא כמובן אינו אלא תמצות ופישוט משמעותי ביותר של המחקר המדעי יוצא הדופן שבוצע כאן, נשמע מסובך להפליא ומכיל מונחים מקצועיים רבים (אך אל דאגה – בהמשך הכתבה ננסה להסביר אותם בצורה ברורה יותר). אך כשכלי התקשורת הפופולריים ניסו לתאר את התגלית הם כנראה העדיפו לפשט אותו עוד יותר: כמעט בכל כלי התקשורת בישראל דווח "לראשונה – עדויות מהמפץ הגדול", "איינשטיין צדק" וכדומה. הגדילה לעשות אחת ממהדורות החדשות המרכזיות שבה הכריזו, "חוקרים אמריקאים הודיעו כי גילו סוף סוף עדויות למפץ הגדול, אירוע שנחשב לתיאוריה במשך שנים", והוסיפו שתיאוריית היחסות של איינשטיין הוכחה.
הדיווחים הללו, שמבטאים ניסיון להביא חדשות מדעיות מסובכות בצורה פשוטה ומסקרנת תוך שימוש במונחים מוכרים יחסית לציבור, כמו "המפץ הגדול" או "תורת היחסות", חוטאים לאמת. הם אינם מסבירים היטב את התגלית המדעית עצמה ואת חשיבותה, ואף מעוותים מעט את התפיסה הקיימת בציבור כלפי המדע.
בכתבה הזו ננסה להבהיר על קצה המזלג מה באמת מדדו החוקרים ואילו תיאוריות המדידות שלהם מאוששות, ונצביע על חוסר הדיוקים בדיווחי התקשורתי על התגליות האלו. נתהה אם אכן מדובר כאן בעדות ראשונה למפץ הגדול ובאישור הראשון של תורת היחסות.
המפץ הגדול
המפץ הגדול הוא ההסבר המקובל ביותר כיום בקהילייה המדעית להיווצרות היקום. על פי התיאוריה, היקום התחיל בראשיתו במצב דחוס ואנרגטי ביותר, שהיה מרוכז כולו באזור קטן עד כדי כך שאפשר להתייחס אליו כנקודה בודדת. משם הוא החל להתפשט ולהתקרר, עד למצב שאנו מכירים כיום.
בשלב הראשוני שלו, היקום הורכב מפוטונים ומחלקיקים יסודיים. בשלב מסוים, כשהיקום התפשט והתקרר מספיק, החלו חלקיקים יסודיים להתחבר זה לזה ויצרו את האטומים הקלים ביותר – אטומי מימן, שהתחברו עם הזמן למולקולות מימן. כך נוצרו ענני המימן שבהם החלו להיווצר הכוכבים הראשונים של היקום והגלקסיות הראשונות.
בניגוד למה שהכריזה התקשורת הפופולרית בימים האחרונים, למפץ הגדול יש ראיות רבות. הראשונה שבהן התקבלה כבר בשנת 1929, כשמדידותיו של אדווין האבל הוכיחו שהיקום אכן ממשיך להתפשט כל העת, ושבאופן כללי (פרט ליוצאי דופן מעטים) הגלקסיות מתרחקות זו מזו.
ראיה חזקה נוספת למפץ הגדול היא קיומה של קרינת הרקע הקוסמית. בכל מקום שנסתכל בו בשמיים, תמיד נמצא קרינה אלקטרומגנטית חלשה בתחום המיקרוגל (כלומר אורך גל של סנטימטרים בודדים). הקרינה הזו היא מעין תמונה של היקום זמן קצר אחרי המפץ הגדול
בתחילת חייו, היקום היה מורכב כאמור מפוטונים וחלקיקים טעונים בלבד. במצב הזה הפוטונים היו "כלואים" – הם התנגשו כל הזמן בחלקיקים הטעונים ולמעשה היקום היה עמום וקרינה אלקטרומגנטית לא יכלה לעבור דרכו. כשהחלקיקים הטעונים חברו יחד ויצרו את אטומי המימן, היקום הפך שקוף עבור פוטונים.
קרינת הרקע משקפת את תמונת היקום באותו רגע ואפשר לתרגם אותה לטמפרטורה (למתעניינים: לפי הטמפרטורה של גוף שחור). ככל שהיקום מתפשט ומתקרר גם הקרינה הזו נחלשת. הקרינה הזו הומוגנית, כלומר זהה בכל מקום ביקום, או ליתר דיוק היא כמעט הומוגנית, ויש תבניות קטנות המופיעות בה. כפי שנסביר בהמשך, המחקר פורץ הדרך שבו אנו עוסקים התמקד במדידת התבניות האלה.
אלו הן רק שתיים מהראיות הרבות שידועות כבר שנים לקיומו של המפץ הגדול, בניגוד למה שהצטייר מהדיווחים בתקשורת שדיברו על גילוי ראשון וחד-פעמי. עם זאת, עדין היו קיימות בעיות בתיאוריה, והיו סתירות במודל של יקום המתפשט באופן קבוע מאז המפץ הגדול. עלתה למשל השאלה מדוע החומר ביקום אינו מפוזר באופן אחיד, וקיימים אזורים שבהם החומר רב וכאלו ששורר בהם ריק כמעט מוחלט.
התשובה לשאלה זו ולשאלות רבות נוספות היא תיאוריית האינפלציה הקוסמית. לפי התיאוריה הזו, זמן קצר מאוד אחרי המפץ הגדול, ולמשך זמן קצר מאוד, היקום "התנפח" – כלומר התפשט בקצב אדיר, ולאחר מכן האט והמשיך להתפשט בקצב הרבה יותר אטי. תהליך כזה היה יוצר מעין תמונה רגעית של היקום ברגע ההתנפחות ומנציח אותה, שכן בזמן התרחשותו אזורים שהיו קרובים מאוד זה לזה התרחקו בן הרגע למרחקים עצומים. לאחר מכן, כשהתהליך האט, אזורים שלרגע קט הכילו חומר ואנרגיה רבים יותר משכניהם "נתקעו" לעד במצב הזה.
תיאורית האינפלציה הקוסמית פתרה למעשה את רוב הבעיות של מודל המפץ הגדול, אך מאחר שהסיבה לתהליך הזה אינה ידועה, היה צורך בראיות לקיומו. זהו למעשה אחד ההישגים המרשימים שעליהם דיווח המחקר החדש. החוקרים מצאו לראשונה ראיה לתופעה שנבעה מהאינפלציה (ניפוח) הקוסמית. אם כך, אמנם לא מדובר ב "עדות ראשונה למפץ הגדול", משום שיש כבר ראיות רבות לכך, אולם המחקר החדש מספק עדות ראשונה למה שהתרחש ביקום רגעים ספורים לאחר מכן. בכך הוא משלים את תיאוריית המפץ הגדול ואת תהליך ההתפתחות של היקום כפי שהמדענים מבינים אותו מרגע היווצרותו ועד ימינו.
התפשטות היקום מאז המפץ הגדול, כולל תקופת האינפלציה הקוסמית | תרשים: אתר נאס"א
גלי כבידה
כעת אנו יודעים כבר על שני מרכיבים חדשים במחקר החדש: קרינת הרקע ו"האינפלציה הקוסמית". וחסר לנו עוד רכיב אחד אחרון כדי להבין מה המחקר מדד – מהם גלי כבידה.
על פי תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין, כל מסה ביקום מעקמת את המרחב סביבה, כמו גולה כבדה המונחת על יריעת פלסטיק מתוחה. ככל שהמסה כבדה יותר, המרחב מתעקם יותר. מאחר שהמרחב עצמו מתעקם, העקמומיות הזו משפיעה לא רק על החומר שביקום אלא גם משנה את מסלולם של פוטונים ואפילו את הזמן עצמו. בקרבת מסה גדולה השעון מתקתק לאט יותר.
עיוות המרחב על ידי מסה כבדה | תרשים: ויקיפדיה; מאת Johnstone
כאשר המסה הגדולה הזו נעה, גם ההפרעה במרחב נעה יחד איתה. איינשטיין הבין שבתנאים מסוימים, לדוגמה אם המסה הכבדה נעה בתנועה מחזורית, תיווצר הפרעה מחזורית שתתקדם ביקום כמו גל שמתקדם במים. הפרעה כזו מכונה "גל כבידה", והיא גורמת למרחב להתכווץ ולהימתח. אם גל כבידה כזה חולף על פני שרשרת עגולה של חלקיקים (ראו אנימציה) השרשרת תתכווץ ותימתח שוב ושוב.
ההשפעה של גל כבידה (בקיטוב מסוים) על שרשרת חלקיקים | אנימציה: ויקיפדיה
בניגוד למה שאפשר היה להבין מהדיווחים האחרונים בתקשורת, תורת היחסות הכללית היא תיאוריה מבוססת ומוכחת. תצפיות רבות אישרו אותה והיא הפכה למרכיב שימושי וחיוני לחיי היומיום שלנו, שכן השעונים על הלוויינים המקיפים את כדור הארץ מתקתקים בגללה מהר יותר מאלו שעל פני כדור הארץ (עקב המרחק הרב יותר מכדור הארץ, והעקמומיות שהוא יוצר במרחב), ויש לתקנם כל העת כדי לתאם בין השעונים.
עם זאת, למרות ניסיונות רבים לאתר גלי הכבידה באופן ישיר, הם לא נמצאו עד כה. מה שכן נמצא היה עדות עקיפה לקיומם, כפי שעלתה ממסלולם של שני כוכבים אשר סבבו זה את זה, שאפילו זיכתה את מגליה בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1993.
הדמיה של העיוות הנוצר במרחב עקב גלי הכבידה שיוצרים כוכבים הסובבים זה את זה | אנימציה: נאס"א
פרט לתנועה המחזורית של גופים בעלי מסה גבוהה, שיכולה לייצר גלי כבידה גם כיום, קיים גם מקור נוסף, קדום יותר לגלים הללו – האינפלציה הקוסמית. על פי התחזיות, תהליך כזה, שהיקום עבר בו שינוי כה חד, היה חייב לייצר גלי כבידה. הגלים האלה נעו ברחבי היקום הצעיר והרעידו את הפוטונים והחלקיקים שמילאו אותו.
המחקר החדש
גלי הכבידה שנוצרו במהלך האינפלציה הקוסמית הניעו את הפוטונים והחלקיקים הטעונים שמהם היקום היה מורכב ברגעים ההם. מאחר שקרינת הרקע הקוסמית מספקת מעין תמונה של הפוטונים האלו, בהנחה שהאינפלציה הקוסמית אכן התקיימה, גלי הכבידה שנוצרו במהלכה היו אמורים ליצור תבניות קטנות ששרידיהן יונצחו לעד בקרינת הרקע הקוסמית.
יתרה מזאת, אף שהמדענים חזו ואף מצאו תבניות בקרינת הרקע בעבר, גלי הכבידה הללו היו אמורים ליצור תבניות מאוד מיוחדות. רק אחוז קטן מאוד מקרינת הרקע מקוטב, כלומר לשדה החשמלי ולשדה המגנטי של הקרינה יש כיוונים מוגדרים היטב (לקריאה מעמיקה יותר על קיטוב של קרינה אלקטרומגנטית). גלי הכבידה הרעידו את היקום בצורה שגרמה לכך שבאזורים מסוימים כיווני הקרינה יסתובבו וייצרו למעשה מערבולות. המערבולות האלה דומות לאלה שאנו מכירים בים, אך הפעם לא מדובר במערבולת של חומר אלא במערבולת של קיטוב הקרינה הקוסמית.
במחקר החדש התמקדו החוקרים בחיפוש אחר התבניות הייחודיות האלו בקרינת הרקע. לשם כך הם עשו מעקב מדויק ורגיש אחר קרינת הרקע באמצעות טלסקופ שנמצא בקוטב הדרומי. ואכן, במהלך חודש מרץ 2014 הודיעו החוקרים שהם זיהו בוודאות מערבולות בקיטוב קרינת הרקע.
אם כך, בניגוד לנאמר בתקשורת לא מדובר בעדות ראשונה לקיומו של המפץ הגדול. המחקר החשוב הזה מספק עדות חשובה ביותר לשני תהליכים חשובים אחרים. ראשית הוא מספק ראיה עקיפה לקיומם של גלי כבידה, כפי שחזה איינשטיין, ושנית הוא מספק ראיה ראשונה לתהליך האינפלציה הקוסמית של היקום ברגעיו הראשונים – תהליך הכרחי בדרך להבנת היקום על פי מודל המפץ הגדול. חשיבותו של המחקר אכן אדירה, שכן הוא תורם רבות לביסוסו של מודל המפץ הגדול כמודל מדויק של תהליך יצירת היקום והתפתחותו.
חשוב לציין שמדובר עדיין במחקר ראשוני ויחיד, שאפילו לא פורסם עדיין רשמית אחרי תהליך בדיקה חיצונית מקיף. סביר להניח שבתקופה הקרובה נחזה בניסיונות לאשש את הממצאים בניסויים בלתי תלויים נוספים. כפי שחזרה התקשורת שוב ושוב, אם תוצאות המחקר אכן יאוששו בוודאות החוקרים יהפכו למועמדים מובילים לקבלת פרס נובל בפיסיקה.
ונסיים בשאלה אליכם, שעליה אתם מוזמנים לענות בפורום: האם תוכלו להסביר מדוע היה חשוב להציב את הטלסקופ העוקב אחרי קרינת הרקע דווקא בקוטב? רמז לא צפוי – חישבו מה קורה כשמחממים ארוחה בתנור מיקרוגל ומה הקשר של זה לקרינת הרקע ולצפייה בה מטלסקופ שנמצא על פני כדור הארץ.
טלסקופ BICEP2 (משמאל), בקוטב הדרומי | תמונה: מהאתר של פרויקט BICEP
עדכון (20.6.14): גלי כבידה או אבק כוכבים?
חשוב לציין כי זמן מה לאחר פרסום תוצאות הניסוי, והניתוח מהם הסיקו המדענים כי מדובר בעדות לגלי כבידה, החלו לעלות טענות של מדענים אחרים כי ניתוח התוצאות שגוי. אחת מנקודות החולשה של המחקר הינה בעובדה שגם פיזורים אקראיים מאבק בחלל עלול ליצור תבניות בקיטוב קרינת הרקע הדומות לאלו אשר נמדדו על ידי BICEP2.
המדענים מפרויקט BICEP, השתמשו במודלים שונים על מנת לקחת בחשבון את ההשפעה של האבק שבחלל על קיטוב קרינת הרקע והראו כי בכל המודלים אותם בדקו השפעה זו היתה קטנה מידי על מנת להסביר את הקיטוב שהם מדדו, ועל כן הם הסיקו כי קיטוב זה הינו אכן עדות לקיומם של גלי הכבידה ברגעיו הראשוניים של היקום.
עם זאת, לאחרונה, בעקבות מדידות חדשות של כמות והשפעת אבק החלל על האור, החלו לטעון מספר מדענים כי השפעת האבק על קיטוב הקרינה גדולה משנחשב בעבר, ולטענתם כל הקיטוב אשר נמדד על ידי BICEP יכול היה להיווצר עקב פיזורים מהאבק בחלל.
עקב כך כיום הדעות חלוקות. ישנם מדענים המאמינים כי מקורו של הקיטוב שנמדד אכן הינו גלי כבידה מראשית היקום, ולעומתם יש כאלו הטוענים כי לא ניתן לדעת זאת בוודאות בשלב זה, ומדידות נוספות, הן של לכמות האבק שבחלל, והן של קיטוב קרינת הרקע הקוסמית נחוצות על מנת להכריע בשאלה זו. מדידות אלו ממשיכות להתבצע כל העת, ואנו נחכה בסבלנות ונעדכן כאשר יהיה מידע חדש המצביע באופן וודאי יותר האם אכן ניתן לומר כי התגלו גלי הכבידה, או שמא הדעות עדין נשארות חלוקות
ד"ר ירון גרוס
המחלקה לפיזיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
הסרטון הופק ודובב בידי טוני דארנל במסגרת פרוייקט Deep astronomy
הסרטון הופק ודובב בידי טוני דארנל במסגרת פרוייקט Deep astronomy
