צעיר לנצח

 

אם היקום, שיצא לדרכו לפני כ-15 מיליארד שנים במפץ גדול, יגיע אל קצו ביבבה דקה, כמאמר שירו הידוע של רוברט פרוסט? התשובה לשאלה הזאת תלויה לא במעט במהות ובכמות החומר שביקום. פרופ' שאול חנני, מאוניברסיטת מינסוטה שבארה"ב, שכיהן באחרונה כפרופסור אורח במכון, מתמקד במחקרים שנועדו לשפוך אור על התעלומה הזאת באמצעות תצפיות, מדידות וניתוחים של קרינת הרקע הקוסמית, שהיא הקרינה השיורית מרגעיו הראשונים של המפץ הגדול.

 

כידוע, התפיסה הרווחת של הקוסמולוגים אומרת, שלפני כ-15 מיליארד שנים היה היקום כולו, על החומר והאנרגיה שבו, כלוא באזור קטן מאוד, לוהט ודחוס לאין שיעור. ואז, בשלב כלשהו, מסיבה לא ידועה (אולי כתוצאה מכך שמישהו, או משהו, אמרו "יהי אור"), החל היקום להתפשט במהירות. זהו "המפץ הגדול". בתהליך ההתפשטות של היקום הצעיר התפזר החומר לכל עבר, ויצר מעין מרק בראשיתי חם וצפוף.

 

אחת מהשאלות שהעסיקו את הקוסמולוגים במשך זמן רב הייתה שאלת ההתארגנות של גושי חומר נפרדים. אם ה"מרק" היה אכן אחיד לחלוטין, הרי שלא הייתה סיבה להתארגנות ספונטנית של גושי חומר בתוכו. במילים אחרות, אם ה"מרק" אכן היה אחיד, הרי שהיקום של היום היה נראה עדיין כמעין "מרק" אחיד שאין בו לא גלקסיות ולא כוכבים, לא כוכבי לכת, ולא יצורים שיכולים לשאול שאלות כלשהן על טיבו של ה"מרק".

 

העובדה שהיקום המוכר לנו מאורגן כפי שהוא מאורגן הביאה להעלאת השערה, שלפיה "המרק הבראשיתי" לא היה כל כךאחיד, ושלמעשה, אזורים שונים בו נבדלו אלה מאלה בהבדלים זעירים, מעין "אדוות" או "קמטים", בצפיפות החומר. במשך הזמן ובהשפעת כוח הכבידה התחזקו ההבדלים בין האזורים השונים, וגרמו להתבדלות של גושי חומר מתוך "המרק הבראשיתי". באזורים שהיו מעט יותר צפופים נוצרו הגלקסיות וצבירי הגלקסיות שאותם אנו רואים כיום, ואזורים פחות צפופים הפכו לריקים עצומים. תהליך ההתגבשות שבו נוצרו גלקסיות, אשר בתוכן נוצרו הכוכבים שסביבם נוצרו כוכבי הלכת, ואשר על אחד מהם (לפחות) נוצרו חיים שמאפשרים - בין היתר - את העיסוק בשאלת בריאת היקום, ארך כ-15 מיליארד שנים.

 

באפריל 1992 זכתה ההשערה הזאת לאישוש, כאשר לוויין המחקר COBE הצליח להתבונן לאחור בזמן ולקלוט את קרינת הרקע של היקום כפי שהייתה כ-30,000 שנים בלבד לאחר המפץ הגדול. קרינת הרקע הקוסמית, שהתגלתה לראשונה על ידי ארנו פנזיאס ורוברט וילסון בשנת 1965 (שזכו על כך בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1978), היא הקרינה השיורית של המפץ הגדול. המדידות של COBE הראו, שספקטרום קרינת הרקע מתאים לזה של קרינת גוף שחור; כלומר, שעוצמת הקרינה בנקודה כלשהי מתאימה ביחס מסוים לדחיסות החומר והאנרגיה שהתקיימו באותה נקודה ביקום הצעיר. זו הייתה הוכחה חשובה לנכונות המודל של "המפץ הגדול", שכן המודל הזה ניבא שקרינת הרקע תתאפיין במאפיינים של קרינת גוף שחור. הלוויין COBE מצא גם הבדלים זעירים בקרינת הרקע שמגיעה מנקודות שונות ביקום. הבדלים אלה היו הניצנים שמהם צמחו והתפתחו המבנים המרכיבים את היקום כפי שהוא מוכר לנו כיום: צבירי גלקסיות, גלקסיות, ועוד.

 

בשיא עוצמתה מגיעה קרינת הרקע הקוסמית לאורך גל של מילימטר אחד. לרוע המזל, האטמוספירה בולעת את הקרינה באורך הגל הזה ומונעת ממנה להגיע אל פני האדמה, כך שמתקני מדידה המוצבים על כדור הארץ אינם יכולים לקלוט אותה. לכן, מדענים שמבקשים למדוד את הקרינה הזאת נאלצים להשתמש בלוויינים, או בבלוני מחקר מיוחדים.

 

מחקריו של פרופ' חנני מתמקדים במאמץ להבין את אופיים של הבדלי העוצמה בקרינת הרקע המגיעה ממקומות שונים בשמיים. בדרך זו שואפים המדענים לחשוף את מאפייניו של היקום הקדום, דבר שעשוי ללמד אותנו, בין היתר, על עתידו, ואפילו על האופי שיישא סופו של היקום. פרופ' חנני: "ביקום הצעיר מאוד, הקרינה הייתה צמודה לחומר שביקום, ורק בתהליך ההתפשטות וההתקררות נפרדה הקרינה מהחומר. אבל, העבר המשותף שלהם גורם לכך שהבדלי הקרינה שאנו מודדים היום מתארים בדייקנות את ההבדלים בצפיפות החומר והאנרגיה שחלו באותם מקומות ביקום הקדום. במובן זה, מדידת קרינת הרקע הקוסמית היא הכלי היחיד המאפשר לנו לצפות ביקום הקדום". במובן זה, נראה כי קרינת הרקע הקוסמית היא שירתו של היקום הצעיר לנצח. פרופ' חנני: "זוהי המדידה הישירה הקרובה ביותר להיווצרות היקום שאנו מסוגלים לבצע. מעבר לגבול המדידה הזאת (300,000 שנה לאחר המפץ הגדול), אנו יכולים רק להסיק, ולבנות מודלים שונים, אבל לא לקבל עדויות ישירות". מאז המדידה הראשונה של לוויין המחקר COBE מבוצעים מדידות וניסויים נוספים, המספקים שיפורים ברמת הרזולוציה של המדידה.

 

אחד המיפויים המדויקים ביותר של קרינת הרקע הקוסמית הושג בשני ניסויים שבהם משתתף פרופ' חנני. שני הניסויים בוצעו באמצעות בלוני מחקר, שאחד מהם נשלח ונחת בארה"ב, והאחר - בצפון אירופה. תוצאות הניסויים איפשרו לחנני ולשותפיו להסיק את צפיפות החומר ביקום. בעזרת תוצאות אלה ומדידות אסטרו פיסיקליות אחרות חישבו חנני ושותפיו גם את הצפיפויות של סוגי החומר השונים. הניסוי העלה, כי היקום מתאפיין במבנה שטוח, וכי החומר הרגיל שכולנו מכירים, זה העשוי למשל מפרוטונים, ניטרונים ואלקטרונים, מהווה רק חמישה אחוזים מכלל החומר שביקום. כל שאר 95% החומר מורכבים משני סוגים של חומר שאיננו מבינים כראוי את מאפייניו ואת טיבו. התוצאות נכללו ברשימת עשר התגליות המדעיות החשובות ביותר של שנת 2000, לפי בחירתם של עורכי כתב העת המדעי "סיינס".

 

הסוג הראשון של החומר הלא ידוע, המהווה כ-30% מהחומר שביקום, הוא "חומר אפל" שאיננו יכולים לראות אותו בשום אמצעי תצפית אלקטרומגנטי (לרבות אור נראה), אך אנו יכולים לחוש ולמדוד את השפעת הכבידה שלו. הסוג השני של החומר הלא ידוע, המהווה כ-65% מהחומר שביקום, גם הוא אפל ואיננו מצליחים לצפות בו בשום דרך, אבל גם השפעת הכבידה שלו שונה. כל סוגי החומר ה"רגילים" מפעילים כוח משיכה, כלומר הם מושכים אליהם צבירי חומר אחרים, דבר שמאט את התפשטות היקום. אבל החומר הבלתי ידוע ובלתי מובן הזה, שכאמור מהווה את רוב החומר שביקום, גורם להאצת התפשטותו של היקום. במובן מסוים נראה, שהחומר הבלתי מוכר הזה מפעיל מאין "כבידה שלילית" הפועלת (בהצלחה מרובה) נגד הכבידה הרגילה.

 

אם תאושש התופעה, כי אז צפוי שקצב התפשטותו של היקום יואץ ללא הרף, והדבר יביא לכך שהמרחקים שמפרידים בין הגלקסיות ביקום יתרחבו ויילכו. וכך, בעוד כמה עשרות מיליארדי שנים יימצאו כדור הארץ והגלקסיה שלנו, "שביל החלב", במצב של בדידות לא מזהרת, בודדים במרחבי היקום, כאשר כל יתר הגלקסיות יתרחקו מאיתנו למרחקים עצומים וייעלמו מן העין.

 

פרופ' חנני ושותפיו למחקר מתחקים כעת אחר תכונות הקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית, דבר שעשוי לאפשר להם לקבל מידע על היקום הקדום כפי שהיה שבריר זעיר של שנייה לאחר "המפץ הגדול". פרופ' חנני: "תהיה זו חוויה נדירה, ללמוד על מצב היקום כפי שהתקיים כל כך קרוב לרגע לידתו במפץ הגדול".