במשך אלפי שנים, בני האדם צפו בכוכבים ותהו כיצד היקום הגיע. אך רק בשנות מלחמת העולם הראשונה פיתחו החוקרים את כלי התצפית הראשונים ואת הכלים התיאורטיים שהפכו את השאלות הגדולות לשדה מדויק של המחקר: הקוסמולוגיה.
פול שטיינהרדט, קוסמולוג מאוניברסיטת פרינסטון, החוקר אם יש לזמן התחלה, "אני חושב על הקוסמולוגיה כאחד הנושאים העתיקים ביותר שיש בהם עניין אנושי, אך כאחד המדעים החדשים ביותר.
הקוסמולוגיה, על קצה המזלג, חוקרת את הקוסמוס כישות אחת, במקום לנתח בנפרד את הכוכבים, החורים השחורים והגלקסיות הממלאות אותו. תחום זה שואל שאלות גדולות: מאיפה היקום הגיע? מדוע יש בו כוכבים, גלקסיות ואשכולות גלקסיות? מה יקרה אחר כך? "הקוסמולוגיה מנסה לעשות תמונה בקנה מידה גדול מאוד של טבע היקום", אמר גלניס פאראר, פיזיקאי חלקיקים מאוניברסיטת ניו יורק.
מכיוון שהתחום הזה מתמודד עם תופעות רבות, החל מחלקיקים בוואקום ועד למרחב של זמן וזמן, הקוסמולוגיה מושכת בכבדות על תחומים רבים, כולל אסטרונומיה, אסטרופיזיקה, ויותר ויותר פיזיקת החלקיקים.
"קוסמולוגיה כוללת חלקים ממנה שנמצאים במלואם בפיזיקה, חלקים שנמצאים במלואם באסטרופיזיקה וחלקים שהולכים קדימה ואחורה," אמר שטיינהרט. "זה חלק מההתרגשות."
היסטוריה של תולדות היקום
האופי הבינתחומי של התחום עוזר להסביר את התחלתו המאוחרת יחסית. תמונת היקום המודרנית שלנו החלה להתכנס רק בשנות העשרים, זמן קצר לאחר שאלברט איינשטיין פיתח את תורת היחסות הכללית, מסגרת מתמטית המתארת את כוח הכבידה כתוצאה מהתכופפות המרחב והזמן.
"לפני שאתה מבין את אופי הכובד, אינך יכול באמת להבחין בתיאוריה מדוע הדברים הם כפי שהם", אמר שטיינהרדט. לכוחות אחרים יש השפעות גדולות יותר על החלקיקים, אך כוח המשיכה הוא השחקן העיקרי בזירת כוכבי הלכת, הכוכבים והגלקסיות. תיאור הכובד של אייזק ניוטון פועל לעתים קרובות גם בתחום זה, אך הוא מתייחס לחלל (ולזמן) כרקע נוקשה ובלתי משתנה שכנגד ניתן למדוד אירועים. עבודתו של איינשטיין הראתה שהמרחב עצמו יכול להתרחב ולהתכווץ, להעביר את היקום מבמה לשחקן ולהביא אותו לקלחת כאובייקט דינאמי ללימוד.
באמצע שנות העשרים עשה האסטרונום אדווין האבל תצפיות מהטלסקופ הוקר (254 סנטימטרים) שנבנה לאחרונה במצפה הר ווילסון בקליפורניה. הוא ניסה לערוך דיון סביב מיקומם של עננים מסוימים בחלל שאסטרונומים יכלו לראות. האבל הוכיח ש"ערפיליות "אלה אינן עננים מקומיים קטנים אלא במקום זאת היו מקבצי כוכבים רחבים ורחוקים הדומים ל"שביל החלב" שלנו - "יקומי אי" בפרלמנט של אז. כיום, אנו מכנים אותם גלקסיות ויודעים שהם מונים בטריליונים.
התהפוכות הגדולות ביותר בפרספקטיבה הקוסמית טרם הגיעו. עבודתו של האבל בסוף שנות העשרים של המאה העשרים העלתה כי גלקסיות לכל כיוון ממהרות מאיתנו, מעוררות עשרות שנים של דיון נוסף. מדידות בסופו של דבר של רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) - אור שנשאר משנותיו הראשונות של היקום ומאז שנמתח למיקרוגלים - בשנות השישים הוכיחו שהמציאות התאימה לאחת האפשרויות שהציעה תורת היחסות הכללית: החל בקטן וחם, היקום מכיל מאז נהיה גדול יותר וקר יותר. הרעיון התפרסם כתיאוריה של המפץ הגדול, והוא רעש את הקוסמולוגים מכיוון שהוא רומז שאפילו ליקום יכול להיות התחלה וסוף.
אבל לפחות אותם אסטרונומים יכלו לראות את תנועת הגלקסיות בטלסקופים שלהם. אחד התזיזות הסייסמיות ביותר של הקוסמולוגיה, אמר פאראר, הוא הרעיון שהרוב המכריע של הדברים שם עשויים ממשהו אחר, משהו בלתי נראה לחלוטין. החומר שאנו יכולים לראות מסתכם במעט יותר משגיאת עיגול קוסמית - רק כ -5% מכל מה ביקום.
השורש הראשון של 95% האחרים של היקום, מה שכונה "המגזר האפל", גידל את ראשו בשנות השבעים. באותה תקופה, האסטרונומית ורה רובין הבינה שהגלקסיות מסתובבות סביב כל כך מהר שהם צריכים לסובב את עצמן. יותר מאשר עניין שקשה לראות, אמר פאראר, הדברים שמחזיקים גלקסיות יחדיו צריכים להיות משהו לא ידוע לחלוטין לפיזיקאים, משהו שמלבד המשיכה הכבידה שלו - מתעלם לחלוטין מחומר ואור רגיל. מיפוי מאוחר יותר גילה כי הגלקסיות שאנו רואים הן פשוט גרעינים במרכז תחומי "חומר אפל" קולוסאלי. חוטים של חומר גלוי הנמתחים על פני היקום תלויים על מסגרת אפלה שעולה על חלקיקים נראים חמש לאחד.
טלסקופ החלל האבל חשף אז סימנים למגוון אנרגיה בלתי צפוי - שלדעת הקוסמולוגים מהווה 70% הנותרים מהיקום לאחר שהצביע על חומר אפל (25%) וחומר גלוי (5%) - בשנות התשעים, אז זה שעון התפשטות היקום כזרז כמו רכבת בורחת. "אנרגיה אפלה", אולי סוג של אנרגיה הטמונה בחלל עצמו, דוחקת את היקום מהר יותר מכפי שיכול כוח הכבידה למשוך את הקוסמוס יחד. בעוד טריליון שנים, כל אסטרונומים שנותרו בנתיב החלב ימצאו עצמם ביקום אי אמיתי, עטוף חושך.
"אנו נמצאים בנקודת מעבר בהיסטוריה של היקום, משם הוא נשלט על ידי חומר למקום בו הוא נשלט על ידי צורה חדשה של אנרגיה," אמר שטיינהרדט. "חומר אפל קבע את עברנו. אנרגיה אפלה תקבע את עתידנו."
קוסמולוגיה מודרנית ועתידית
הקוסמולוגיה הנוכחית אורזת את הגילויים המהווים את ציוני הדרך הללו בהישג הכותרת שלה, מודל Lambda-CDM. צרור משוואות זה, המכונה לעיתים המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה, מתאר את היקום בערך מהשנייה הראשונה שלו ואילך. המודל מניח כמות מסוימת של אנרגיה כהה (למבדה, לייצוגה בתורת היחסות הכללית) וחומר אפל קר (CDM) ועושה ניחושים דומים לגבי כמות החומר הנראה לעין, צורת היקום ומאפיינים אחרים, הכל נקבעים על ידי ניסויים ותצפיות.
שחק את סרט היקום-התינוק הזה קדימה 13.8 מיליארד שנה, וקוסמולוגים מקבלים תמונת מצב ש"סטטיסטית יש את כל מה שאנחנו יכולים למדוד עד לנקודה מסוימת, "אמר שטיינהרט. מודל זה מייצג את המטרה להכות כאשר הקוסמולוגים דוחפים את תיאורי היקום עמוק יותר לעבר ולעתיד.
לא פחות ממוצלח כמו Lambda-CDM, עדיין יש לו שפע של קינקים שצריכים לעבוד. קוסמולוגים משיגים תוצאות סותרות כאשר הם מנסים לחקור את ההתפשטות הנוכחית של היקום, תלוי אם הם מודדים אותו ישירות בגלקסיות סמוכות או מסיקים אותו מ- CMB. המודל הזה לא אומר כלום על איפור של חומר אפל או אנרגיה.
ואז יש את השניה הראשונה המטרידה הזו של הקיום, כאשר היקום ככל הנראה עבר מכתם אינפיניטסימלי לבועה מנוגדת יחסית. "אינפלציה" היא תיאוריה פופולרית שמנסה להתמודד עם תקופה זו, והסבירה כיצד רגע קצר של התפשטות מהירה עוד יותר פוצץ וריאציות קדמוניות מזעריות לאי-אחידות רחבה של הגלקסיות של ימינו, וכן כיצד תשומות למבדה-CDM השיגו את הערכים שלהן .
עם זאת איש אינו יודע כיצד האינפלציה פעלה בפרטי, או מדוע היא הפסיקה במקום בו ככל הנראה. שטיינהרדט אמר שהאינפלציה הייתה צריכה להימשך באזורים רבים בחלל, ומשמעה שהיקום שלנו הוא רק פרוסה אחת של "רב-גוני" המכיל כל מציאות פיזית אפשרית - רעיון בלתי ניתן לבחינה שרבים מהניסויים חושבים כמי שמעלים את דעתם.
כדי להתקדם בשאלות כמו אלה, קוסמולוגים מסתכלים על מדידות מדויקות מטלסקופים מבוססי חלל כמו טלסקופ החלל האבל וטלסקופ החלל ג'יימס ווב הקרוב, כמו גם ניסויים בתחום המתפתח של אסטרונומיה של גל הכבידה, כמו הקרן הלאומית למדע הלאומי מצפה גלים-גל אינטרפרומטר לייזר. קוסמולוגים מצטרפים גם לפיזיקאים של חלקיקים ואסטרופיסיקאים למרוץ בינתחומי לגילוי חלקיקי חומר אפל.
כשם שהקוסמולוגיה לא יכלה להתחיל עד שענפים אחרים של הפיזיקה הבשילו, היא לא תוכל לסיים לחשוף את ההיסטוריה של היקום עד שתחומים אחרים יהיו שלמים יותר. "כדי לסדר את הסיפור, אתה צריך לחשב בעצם את כל חוקי הפיזיקה בכל סולם האנרגיה ובכל התנאים, "אמר שטיינהרדט. "ושינוי בכל אחד מאלה יכול לשנות באופן קיצוני את הסיפור הקוסמולוגי."
פאראר אמרה שהיא לא יודעת אם זה יקרה, אבל מתפעלת מאנשים שאחזו במורכבות היקום באותה מידה שיש להם. "זה מדהים שהמוח האנושי התפתח לנקודה שאפשר כנראה לענות על השאלות האלה", אמרה. "חלקם לפחות."
נוסף משאבים:
