המפץ הגדול, התביעה הגדולה: מדוע הרעיון הנועז הזה צודק

בתחילת הדרך היקום התרחב מאוד מאוד מהר.

(תמונה: © פליקר / ג'יימי, CC BY-SA)

פול סוטר הוא אסטרופיסיקאי מאוניברסיטת אוהיו ומדען הראשי במרכז המדע COSI. סאטר הוא גם המארח של Ask a Spaceman ו- Radio Space, ומוביל את אסטרוסטורס ברחבי העולם. סאטר תרם מאמר זה לקולות המומחים של Space.com: Op-Ed & Insights.

לפני 13.8 מיליארד שנה, כל היקום הנצפה שלנו היה בגודל של אפרסק והייתה לו טמפרטורה של מעל טריליון מעלות.

זו הצהרה די פשוטה, אך מאוד נועזת, וזה לא הצהרה שנאמרת בקלילות או בקלות. אכן, אפילו לפני מאה שנה זה היה נשמע מגוחך לחלוטין, אבל הנה אנחנו אומרים את זה כאילו זה לא עניין גדול. אך כמו בכל דבר במדע, אמירות פשוטות כאלה בנוויות מהרים של מספר ראיות עצמאיות מרובות שכולם מצביעים על אותה מסקנה - במקרה זה, המפץ הגדול, המודל שלנו להיסטוריה של היקום שלנו. [היקום: המפץ הגדול עד עכשיו בעשרה שלבים קלים]

אבל, כמו שאומרים, אל תיקח את דבריי על זה. להלן חמש ראיות למפץ הגדול:

# 1: שמי הלילה חשוכים

דמיין לרגע שחיינו ביקום אינסופי לחלוטין, גם בזמן וגם במרחב. אוספי הכוכבים הנוצצים נמשכים לנצח לכל כיוון, והיקום פשוט היה ותמיד יהיה. פירוש הדבר איפה שתסתכל בשמיים - פשוט לבחור כיוון אקראי ולבהות - אתה תמצא כוכב שם, איפשהו, במרחק כלשהו. זו התוצאה הבלתי נמנעת של יקום אינסופי.

ואם אותו יקום היה קיים לנצח, אז היה הרבה זמן לאור מאותו כוכב, שזוחל בקוסמוס במהירות איטית יחסית של c, כדי להגיע לגלגלי העיניים שלך. אפילו נוכחותו של כל אבק שמתערב לא הייתה מצמצמת את האור המצטבר מאינסוף כוכבים המתפרס על פני קוסמוס גדול עד אינסוף.

ארגו, השמים צריכים להיות בוערים באור המשולב של שלל כוכבים. במקום זאת, בעיקר חושך. ריקנות. בטל. שחורות. אתה יודע, מרחב.

הפיזיקאי הגרמני היינריך אולברס אולי לא היה האדם הראשון שציין את הפרדוקס הנראה לעין הזה, אך שמו דבק ברעיון: הוא ידוע כפרדוקס של אולברס. הרזולוציה הפשוטה? או שהיקום אינו אינסופי בגודלו או שהוא איננו אינסופי בזמן. ואולי זה לא זה.

מס '2: קיימות קוואזרים

ברגע שחוקרים פיתחו טלסקופי רדיו רגישים, בשנות החמישים והשישים, הם הבחינו במקורות רדיו רועשים בשמיים. באמצעות הרדמה אסטרונומית משמעותית, קבעו המדענים כי מקורות הרדיו המעידים על הכוכבים, או "הקוואזרים", היו גלקסיות פעילות רחוקות מאוד אך בהירות למדי.

מה שהכי חשוב לדיון זה הוא החלק "הרחוק מאוד" של אותה מסקנה.

מכיוון שלאור לוקח זמן לנסוע ממקום למקום, אנו לא רואים כוכבים וגלקסיות כפי שהם כעת, אלא כפי שהיו לפני אלפים, מיליונים או מיליארדי שנים. המשמעות היא שהסתכלות עמוקה יותר ביקום מסתכלת עמוק יותר על העבר. אנו רואים הרבה קוואזרים בקוסמוס הרחוק, מה שאומר שהאובייקטים הללו היו נפוצים מאוד לפני מיליארדי שנים. אבל כמעט ולא קיימים קוואזרים בשכונה המקומית והמעודכנת שלנו. והם נפוצים מספיק ביקום הרחוק (כלומר צעיר) שעלינו לראות הרבה יותר בסביבתנו.

המסקנה הפשוטה: היקום היה שונה בעברו ממה שהוא כיום.

מס '3: זה הולך וגדל

אנו חיים ביקום מתרחב. בממוצע, הגלקסיות הולכות ומתרחקות מכל הגלקסיות האחרות. בטח, כמה התנגשויות מקומיות קטנות מתרחשות כתוצאה מאינטראקציות כבידתיות שנשארו, כמו איך שביל החלב הולך להתנגש עם אנדרומדה בעוד כמה מיליארד שנים. אולם בקנה מידה גדול, מערכת היחסים הפשוטה והמרחיבה הזו נכונה. זה מה שגילה האסטרונום אדווין האבל בראשית המאה העשרים, זמן קצר לאחר שגילה ש"גלקסיות "היו למעשה דבר. [ההתרסקות הראשית של גלקסיית שביל החלב עם אנדרומדה: תמונות אמן]

ביקום המתרחב, הכללים פשוטים. כל גלקסיה נסוגה (כמעט) מכל גלקסיה אחרת. אור מגלקסיות רחוקות ישתנה באדום - אורכי הגל של האור שהם משחררים יתארכו, ובכך אדומים יותר, מנקודת המבט של גלקסיות אחרות. אתה עשוי להתפתות לחשוב שזה נובע מהתנועה של גלקסיות בודדות שמהירות ברחבי היקום, אבל המתמטיקה לא מסתדרת.

כמות ההיסטה האדומה לגלקסיה ספציפית קשורה לכמה שהיא רחוקה. גלקסיות קרובות יותר יקבלו כמות מסוימת של הסטה אדומה. גלקסיה מרוחקת פי שניים תקבל את השינוי האדום כפול. פי ארבעה מהמרחק? נכון, ארבע פעמים מההיסטה האדומה. כדי להסביר זאת רק כאשר גלקסיות מסתובבות שם, צריכה להיות קונספירציה מוזרה ממש בה כל אזרחי הגלקסיה של היקום מסכימים לנוע בדפוס הספציפי הזה.

במקום זאת יש הסבר פשוט בהרבה: תנועת הגלקסיות נובעת ממתיחת המרחב בין הגלקסיות הללו.

אנו חיים ביקום דינאמי ומתפתח. הוא היה קטן יותר בעבר ויהיה גדול יותר בעתיד.

# 4: קרינת השריד

בוא נשחק משחק. נניח שהיקום היה קטן יותר בעבר. זה אומר שזה היה צפוף וחם יותר, נכון? נכון - כל תוכן הקוסמוס היה מקושר בחלל קטן יותר, וצפיפות גבוהה יותר פירושה טמפרטורות גבוהות יותר.

בשלב מסוים, כאשר היקום היה, למשל, היה קטן פי מיליון מכפי שהוא כעת, הכל היה מרוסק כל כך ביחד שהוא יהיה פלזמה. במצב זה, אלקטרונים יהיו בלתי מוגבלים ממארחי הגרעין שלהם וחופשיים לשחות, כל העניין הזה שטוף בקרינה אינטנסיבית ואנרגטית גבוהה.

אך ככל שהיקום התינוקות הזה התפשט, הוא היה מתקרר לנקודה בה, לפתע, אלקטרונים יכלו להתיישב בנוחות סביב גרעינים, מה שהופך את האטומים השלמים הראשונים של מימן והליום. באותו הרגע הקרינה האינטנסיבית המטורפת מסתובבת ללא הפרעה ביקום הדק והשקוף החדש. וככל שהיקום ההוא התפשט, האור שהתחיל ממש לבן-חם היה מתקרר, התקרר, התקרר לכמה מעלות מעל האפס המוחלט, ומכניס את אורכי הגל לתוקף לטווח המיקרוגל.

וכאשר אנו מכוונים את טלסקופי המיקרוגל שלנו לשמיים, מה אנו רואים? אמבטיה של קרינת רקע, המקיפה אותנו מכל הצדדים ואחידה כמעט לחלוטין (לחלק אחד ב 100,000!) לכל הכיוונים. תמונה לתינוק של היקום. גלויה מתקופה ארוכה. אור מתקופה כמעט ותיקה כמו היקום עצמו.

# 5: זה אלמנטרי

דחפו את השעון עוד יותר לאחור מאשר היווצרות רקע המיקרוגל הקוסמי, ובשלב מסוים הדברים כה עזים, מטורפים כל כך, עד שאפילו פרוטונים ונייטרונים לא קיימים. זה רק מרק של החלקים הבסיסיים שלהם, הקווארקים והגלונים. אך שוב, כאשר היקום התפשט והתקרר מהדקות הראשונות התזזיתיות של קיומו, גרעינים הגרעינים הקלים ביותר כמו מימן והליום.

יש לנו כיום די הגיון בפיזיקה גרעינית, ואנחנו יכולים להשתמש בידע זה כדי לחזות את הכמות היחסית של היסודות הקלים ביקום שלנו. התחזית: כי המרק המצטבר היה צריך להוליד בערך שלושת רבעי מימן, הליום רבע וניפוץ "אחר".

האתגר עובר אז לאסטרונומים, ומה הם מוצאים? יקום המורכב, בערך, משלושת רבעי מימן, הליום רבע ואחוז קטן יותר של "אחר". בינגו.

יש כמובן יותר ראיות, כמובן. אבל זו רק נקודת המוצא לתמונת המפץ הגדול המודרני שלנו על הקוסמוס. ריבוי קווי ראיות עצמאיים מצביעים כולם על אותה מסקנה: היקום שלנו כבן 13.8 מיליארד שנה, ובזמן מסוים, הוא היה בגודל של אפרסק והייתה לו טמפרטורה של מעל טריליון מעלות.

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק "מה קורה כאשר גלקסיות מתנגשות?" בפודקאסט Ask A Spaceman, זמין ב- iTunes ובאינטרנט בכתובת http://www.askaspaceman.com. תודה למייק ד ', טריפ ב', סדס ס, איסלה ופטריק ד 'על השאלות שהובילו ליצירה הזו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או על ידי עקוב אחר פול @PaulMattSutter ו- facebook.com/PaulMattSutter. עקוב אחרינו @Spacedotcom, Facebook ו- Google+. מאמר מקורי באתר Space.com.