הבדלים בין גרסאות בדף "אנרגיה אפלה"

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(אנרגיה אפלה - קויטנסנס)
(אנרגיה אפלה ויצירת מבנים ביקום)
שורה 84: שורה 84:
 
האיבר הראשון במשוואה הוא כוח הכבידה הרגיל, ואילו האיבר השני סימנו חיובי (קרי, הוא פועל נגד הגרווטציה) והוא תורם להאצת התפשטות היקום. כלומר ישנם שני כוחות הפועלים על הפרעה לצפיפות כדורית. אחד כח גרווטציה השואף לכווץ את את ההפרעה, והשני התפשטות המרחב, השואף לרווח את ההפרעה. משוואה זו מתארת את התחרות בניהם.
 
האיבר הראשון במשוואה הוא כוח הכבידה הרגיל, ואילו האיבר השני סימנו חיובי (קרי, הוא פועל נגד הגרווטציה) והוא תורם להאצת התפשטות היקום. כלומר ישנם שני כוחות הפועלים על הפרעה לצפיפות כדורית. אחד כח גרווטציה השואף לכווץ את את ההפרעה, והשני התפשטות המרחב, השואף לרווח את ההפרעה. משוואה זו מתארת את התחרות בניהם.
  
הפרעה אשר נכנסת עתה [[אופק קוסמולוגי|לאופק]] לא תיקרוס כיוון שאיבר הקבוע הקוסמולוגי "מנצח" והמרחב מתפשט מהר יותר מכפי שההפרעה יכולה לקרוס. לעומת זאת הפרעות אשר נמצאות כבר בתהליך הקריסה (קרי, מתכווצות) אינן רגישות להתפשטות היקום כל כך וממשיכות לקרוס.
+
הפרעה אשר נכנסת עתה [[אופק קוסמולוגי|לאופק]] לא תיקרוס כתוצאה מכח הכבידה כיוון שאיבר הקבוע הקוסמולוגי "מנצח" והמרחב מתפשט מהר יותר מכפי שההפרעה יכולה לקרוס. לעומת זאת הפרעות אשר נמצאות כבר בתהליך הקריסה (קרי, מתכווצות) אינן רגישות להתפשטות היקום כל כך וממשיכות לקרוס.
  
 
==בעיית האנרגיה האפלה והוואקום==
 
==בעיית האנרגיה האפלה והוואקום==

גרסה מ־19:40, 29 ביולי 2010

אנרגיה אפלה (באנגלית: Dark energy) היא שם לרכיב אנרגיה תיאורטי המצוי ביקום, ואשר נתמך ע"י מספר תצפיות קוסמולוגיות ביניהן, האצת התפשטות היקום בעידן הנוכחי ותכונותיה של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו. טבעה של האנרגיה האפלה איננו ברור.

נהוג לאמוד את כמות האנרגיה האפלה כיחס בין צפיפות האנרגיה הנוכחית שלה ביקום לצפיפות האנרגיה שהיתה דרושה על מנת שליקום תיהיה גאומטריה שטוחה (שנקראת גם הצפיפות הקריטית של היקום). כיום אנו יודעים על סמך התצפיות של ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית כי סה"כ צפיפות החומר והאנרגיה ביקום הינה קרובה מאד לצפיפות הקריטית. על-סמך התצפיות, האנרגיה האפלה מהווה כ 72% מכלל צפיפות האנרגיה ביקום, כלומר היא הרכיב הדומיננטי ביקום. כיום, קיימים שני מודלים מובילים לטיבה של האנרגיה האפלה. המודל הראשון מיוצג ע"י הקבוע הקוסמולוגי (ראו הרחבה בהמשך) אשר גורס כי האנרגיה האפלה היא אנרגיה קבועה אשר ממלאת את היקום באופן אחיד. המודל השני מתאר את האנרגיה האפלה כשדה דינמי היכול לשנות את ערכו (קרי את צפיפות האנרגיה שלו) בזמן ובמרחב. מדידות מדויקות של קצב התפשטות היקום יוכלו לפזר את המסתורין ואולי אף להכריע מיהו המודל הנכון.

קיומה של אנרגיה אפלה הוצע לראשונה ע"י אינשטיין כנסיון לפתרון יציב למשוואות השדה שלו המתארות את היקום. כאשר אינשטיין פיתח לראשונה את תורת היחסות הכללית, התפשטות היקום עדין לא היתה ידועה. אינשטיין שיער (על סמך העדויות התצפיתיות שהיו ידועות באותה תקופה) כי היקום איננו מתפשט ואיננו מתכווץ, על כן היה זקוק לרכיב אנרגיה שמתנגד לכוח הכובד על פני מרחקים גדולים שיסביר את יציבות היקום. אינשטיין קרא לרכיב הנ"ל: קבוע קוסמולוגי (באנגלית: Cosmological Constant). לאחר גילוי התפשטות היקום ע"י האבל, אינשטיין הבין כי היה יכול לחזות את התפשות היקום באופן תאורטי ומיוחסת לו האמירה כי הוספת הקבוע הקוסמולוגי למשוואת השדה היא הטעות הגדולה של חיוו - אם כי לא ברור אם אכן אמר זאת. כיום אנו מבינים כי למעשה קיומה של אנרגיה אפלה עשוי להוביל לפתרון דינמי ולא קבוע ליקום.

מדידת צפיפות האנרגיה האפלה

כל המדידות (כיום) של צפיפות האנרגיה האפלה מבוססות על השוואת מרחקים קוסמולוגים עם הסחה לאדום קוסמולוגית (ראו גם: קורדינטות בקוסמולוגיה). גדלים פיסקלים מדידים הינם תלויים במרחק. לדוגמא, בעולם בעל גאומטריה אוקלידית פשוטה, עוצמת הארה הנראית של עצם דועכת עם ריבוע מרחקו מהצופה (ראו גם: בהירות). דוגמא אחרת היא כי גודלו הזוויתי של עצם קטן באופן מתכונתי למרחקו. בעולם בעל גאומטריה מורכבת יותר דוגמאות אלו אינן נכונות.

בקוסמולגיה, בהתבסס על תורת היחסות הכללית, ניתן להגדיר סוגים שונים של מרחקים המבטאים כיצד משתנים גדלים מדידים (כגון גודל זוויתי ועוצמת הארה נראית) כתלות בהסחה לאדום. הפונקציות המתארות מרחקים אלו תליות בתכולת היקום, כולל תכולת החומר (ראו גם: חומר אפל), תכולת הקרינה ותכולת האנרגיה האפלה. ניתן אם כן להגדיר למשל מרחק גודל זוויתי המבטא את המרחק של העצם כתלות בהסחה לאדום אילו קוטרו הזוויתי היה דועך כמו אחד חלקי המרחק. באופן דומה ניתן גם להגדיר מרחק הארה ועוד.

על כן ניתן לאמוד את תכולת האנרגיה האפלה (וכן המסה) של היקום ע"י מדידת ההסחה לאדום ומדידת גודל זוויתי של עצמים שאת גודלם הפיסי האמיתי אנו יודעים או ע"י מדידת עוצמת האור של עצמים שאת הארתם האמיתית אנו יודעים.

עדויות לאנרגיה אפלה

כיום ישנן הצטברות של עדויות התומכות בכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ (ראו ערך מורחב חוק האבל והתפשטות היקום) ולמעשה קצב התפשטותו המואץ הוא המקור לצורך בקיומה של האנרגיה האפלה שתרומתה לסך כל הצפיפות האנרגיה כיום משמעותית. עתה נתאר את העדויות המובילות לכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ.

סופרנובות

עקומות האור של סופרנובות מסוג Ia הינן ניתנות לכיול כך שבקרוב טוב ניתן לעשות בהן שימוש על מנת לחשב את בהירותה המוחלטת של הסופרנובה. על כן ע"י מדידת עוצמת האור שלהן כתלות בהסחתן לאדום ניתן לאמוד את תכולת המסה והאנרגיה האפלה של היקום. סופרנובות מסוג זה נובעות מפיצוץ תרמו-גרעיני של ננס לבן אך האופן בו מובל הננס הלבן לפיצוץ מסוג זה איננו ברור. (ראו מאמר מורחב בנושא: מדידת מרחקים ביקום).

בשנת 1998 שתי קבוצות אסטרונומים, באופן בלתי תלוי, עשו שימוש בתכונות ההארה של סופרנובות מטיפוס Ia על מנת לאמוד את תכולת החומר והאנרגיה האפלה של היקום. כפי שצויין, מדידות אלו מאפשרות לאמוד את תכולת היקום. המדידות הנ"ל (וכאלו שנעשו אחריהן) הראו כי כ 70% מתכולת היקום הינה כאמור אנרגיה אפלה שטיבה איננו ברור.

קרינת הרקע הקוסמית

(ראו ערכים מורחבים קרינת הרקע הקוסמית והפרעות בקרינת הרקע הקוסמית).

סוג נוסף של מדידות המאפשר את מדידת כמות המרכיבים השונים של היקום ובעיקר את סה"כ תכולת המסה והאנרגיה של היקום הוא מדידת ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית. המדידות הללו מתבססות על כך שגודלם הפיסי של ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית הינן "סרגל קוסמי" שאת גודלו אנו יכולים לחשב משיקולים פיסקלים פשוטים יחסית. השוואת הגודל הפיסי החזוי עם הגודל הזוויתי הנמדד (וידיעת ההסחה לאדום) מאפשרת לנו לחלץ את צפיפות החומר והאנרגיה של היקום.

טבע האנרגיה האפלה

טבעה של האנרגיה האפלה איננו ידוע אך קימות מספר השערות בנוגע למקורה - כיום קיימים שני מודלים מובילים: האחד הוא הקבוע הקוסמולוגי, והשני נקרא קוייטנסס (ראו הרחבה בהמשך). לשני המודלים הללו יש מכנה משותף והוא שהם מספקים ליקום מעין לחץ שלילי ועל כן דוחפים את המרחב להאיץ את קצב התפשטותו. ההגדרה הפיזיקלית של לחץ היא כח ליחידת שטח, אך כאן אין מדובר בלחץ פיזיקלי (כיוון שבהגדרה לא קיים לחץ שלילי) אלה באנלוגיה ללחץ.

הקבוע הקוסמולוגי

הקבוע הקוסמולוגי (באנגלית cosmological constant) מצויין בדרך כלל ע"י האות היוונית \Lambda. הקבוע הקוסמולוגי הינו איבר קבוע במשוואות אינשטיין שיוצר כח דוחף המתואר ע"י לחץ שלילי (במידה והוא חיובי). מודל זה של אנרגיה אפלה גורס כי צפיפות האנרגיה האפלה היא קבועה במרחב ובזמן.

אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגיה של הריק (וואקום). צפיפות האנרגית של הריק (באנגלית vacuum energy), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר. הסבר מפורט לאנרגית הריק נעוץ בתהליכים הקשורים למכניקת הקוונטים (הסבר מורחב נמצא בהמשך).

מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק. תחת ההנחה שצפיפות האנרגיה של הריק הינה קבועה, מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי הינו קבוע "אמיתי" (קרי אינו משתנה).

אנרגיה אפלה - קויטנסנס

המילה קויטנסנס (באנגלית quintessence) מגיעה מיונית עתיקה ומשמעותה היא האלמנט החמישי, ואכן אנרגיה אפלה היא מרכיב חמישי בנוסף לארבעת הגורמים האחרים המשפיעים על התפשטות היקום: קרינה, חומר אפל, חומר ניראה, ועקמומיות. מודל זה לאנרגיה אפלה גורס כי תכונותיה משתנות בזמן ובמרחב.

למעשה מה שמגדיר את הקבוע הקוסמולוגי כקבוע היא ההנחה כי כל צופה בכל מערכת קורדינטות יראה את צפיפות האנרגיה של הריק כקבועה. אך אם נוותר על ההנחה הזו נקבל כי צפיפות האנרגיה של הריק יכולה להשתנות עם הזמן. כלומר התכונות הניצפות של הריק תלויות במהירות הצופה, ומשתנות ממערכת קורדינטות אחת לשניה. על מנת שמודל זה יתאים עם התצפיות העכשויות שלנו כרגע על אנרגיה אפלה במודל זה נבחרת ההשתנות עם הזמן להיות איטית. מתארים את האנרגיה האפלה כנובע משדה סקאלרי (ההגדרה המתמטית לשדה סקאלרי היא שדה שאיננו משתנה תחת העברת קורדינטות איננו משנשאר אותו הדבר). במקרה כזה הקשר בין לחץ לצפיפות האנרגיה הוא: p=w\cdot\rho כאשר w=-1 המודל הוא של קבוע קוסמולוגי.

 לא מודלים - כי אם תצפיות (מפוקפקות) - מציע להוריד את הפסקה הבאה שמכילה גם ארבה שגיאים כתיבות:

לאחרונה התפרסמו מודלים הטוענים כי יתכן והאצת קצב התפשטות היקום עברה את שיאה, ולמעשה היקום מחל עתה להאט את התפשטותו. מודלים אילו מניחים מודל בו w שונה ממינוס אחד אך עדיין בתחומי שגיאת המדידה, קרי, קיומה של אנרגיה אפלה כשדה דינמי בזמן ולא כקבוע קוסמולוגי. אך נכון לעכשיו (אוקטובר 2009) מודלים אילו עדיין נמצאות בשלב ראשוני, ויש צורך במחקר רב בנושא. הדעה הרווחת בקרב המדענים היא כי היקום מאיץ את קצב התפשטותו.

היסטוריה של הקבוע הקוסמולוגי

עם פירסום תורת היחסות הכללית ע"י אינשטיין ב 1915, העובדה כי היקום מתפשט לא היתה ידועה. באותה עת היה מקובל לחשוב כי היקום הינו סטטי, לא מתפשט ולא מתכווץ. אינשטיין הכניס את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות השדה של יחסות כללית מאחר והיה זקוק לאבר שיסתור את "כח המשיכה", ימנע את התכווצות היקום ויאפשר פיתרון סטטי. כעשור מאוחר יותר גילה אדווין האבל את התפשטות היקום ולא היה עוד צורך באותו קבוע קוסמולוגי. רק בשלהי המאה ה-20 חזר הקבוע הקוסמולוגי לזירה לאחר גילוי האצת התפשטות היקום ע"י שתי קבוצות בלתי תלויות שעשו שימוש בסופרנובות מטיפוס Ia כנרות סטנדרטים.

אנרגיה אפלה ויצירת מבנים ביקום

תרומתה של האנרגיה האפלה ליצירת מבנים (הילות חומר אפל וגלקסיות) ביקום (ראו: יצירת מבנים ביקום) מתוארת ע"י המשוואת הכוחות הבאה:

\frac{d^2r}{dt^2}=-\frac{GM}{r^2}+H^2_0\Omega_\Lambda r

משוואה זו מתארת את הכוחות הדומיננטים על הפרעה כדורית לצפיפות האחידה ביקום (כלומר איזור שקצת יותר צפוף מהממוצע ביקום) בגודל r (ראו גם יצירת מבנים ביקום), כאשר הרדיוס כאן הוא רדיוס פיזיקלי (עבור יקום שטוח). המסה M הינה כלל המסה הנמצאת בתוך הפרעה. הפרמטר H_0 הינו הפרמטר של האבל ו- \Omega_\Lambda הוא אחוז צפיפות האנרגיה האפלה מכלל צפיפות האנרגיה ביקום.

האיבר הראשון במשוואה הוא כוח הכבידה הרגיל, ואילו האיבר השני סימנו חיובי (קרי, הוא פועל נגד הגרווטציה) והוא תורם להאצת התפשטות היקום. כלומר ישנם שני כוחות הפועלים על הפרעה לצפיפות כדורית. אחד כח גרווטציה השואף לכווץ את את ההפרעה, והשני התפשטות המרחב, השואף לרווח את ההפרעה. משוואה זו מתארת את התחרות בניהם.

הפרעה אשר נכנסת עתה לאופק לא תיקרוס כתוצאה מכח הכבידה כיוון שאיבר הקבוע הקוסמולוגי "מנצח" והמרחב מתפשט מהר יותר מכפי שההפרעה יכולה לקרוס. לעומת זאת הפרעות אשר נמצאות כבר בתהליך הקריסה (קרי, מתכווצות) אינן רגישות להתפשטות היקום כל כך וממשיכות לקרוס.

בעיית האנרגיה האפלה והוואקום

בהנחה כי מקורו של הקבוע הקוסמולוגי הוא באנרגיה של הריק (ואקום), ניתן להעריך משיקולים הנובעים ממכניקת הקוונטים ואנליזת ממדים מה יהיה גודלו של הקבוע הקוסמולוגי. התוצאה המתקבלת היא כי גודלו של הקבוע הקוסמולוגי גדול בכ 120 סדרי גודל (קרי 10120) מערכו הנצפה של הקבוע הקוסמולוגי. בעיה זאת שנקראת לעיתים הקטסטרופה של הואקום (באנגלית: Vacuum catastrophe). או בעיית סדרי הגודל הגדולה ביותר בפיסיקה. מצב כזה אומר שצריך להתאים את הפרמטרים באופן מיוחד על מנת שיתאימו לתצפיות. מצב כזה בדרך כלל לא חביב על פיזיקאים כיוון שהכיוונון העדין מעיד על מועדפות של היקום שלנו או המיקום שלנו ביקום, דבר שנוגד את העיקרון הקוסמולוגי. העיקרון הקוסמולוגי אומר כי אין העדפה מיוחדת למיקום שלנו ביקום ואין מרכז ליקום, על כן, מצב המצריך תנאים מיוחדים עומד בניגוד לכך.

פתרון לבעיה מוצג ע"י העיקרון האנטרופי. העיקרון הזה אומר, באופן פשטני, כי היקום נצפהכפי שהוא נצפה על מנת שחיים אינטלגנטים יוכלו להתקיים בו. באופן ספציפי לבעית הקבוע הקוסמולוגי, הרעיון הוא שלקבוע הקוסמולוגי ערכים שונים באיזורים שונים והערך שאנו מקבלים מתצפיות הוא הערך שכנראה צריך להיות על מנת שיתקימו חיים.

מודל אלטרנטיבי

תיקונים לתורת היחסות הכללית

מודלים שונים טוענים כי למעשה התפשטות המואצת של היקום ומדידות אנרגיה האפלה מקורן הוא למעשה בכישלון תורת היחסות הכללית על סקלות גדולות (גדולות יותר מסופר צבירים). למעשה כל המבחנים שנעשו לתורת היחסות הכללית התקימו בסקלות קטנות יותר, ותורת היחסות הכללית לא נבחנה על סקלות בגודל כאלו.


הקבוע הקוסמולוגי ואנרגית הריק

כפי שנאמר לעיל: אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק (וואקום), כאשר צפיפות האנרגית של הריק (באנגלית vacuum energy), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר. נרצה להבין את המושג הזה. לשם כך נפשט את מכניקת הקוונטים באופן הבא: נתאר את המרחב שמורכב ממערכת של כדורים מחוברים זה לזה ע"י קפיצים. למעשה באופן כזה אנו יכולים לתאר כל שדה (שדה בפיזיקה הינו פונקציה פיזיקלית המאפיינת כל נקודה במרחב-זמן), וחוזק השדה נקבע ע"י חוזק הקפיצים. כל קפיץ כזה הוא למעשה מטוטלת (אוסילטור, בלעז) הרמוני קוונטי, והשדה (והמרחב) מתוארים ע"י אוסף של מטוטלות כאילו. האנרגיה של המרחב נקבעת ע"י האנרגיה של המטוטלות.

פתרון בעית מטוטלת הרמונית קוונטית מוביל לשתי מסקנות חשובות:

1. האנרגיה של מטוטלת קוונטית מקבלת ערכים בדידים בקפיצות של קבוע פלנק כפול התדירות.

2. האנרגיה של מצב היסוד, המצב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר שונה מאפס. מתוך תיאור המרחב כאוסף של מטוטלות קוונטיות אנו מקבלים כי האנרגיה של המצב בעל רמת האנרגיה הנמוכה ביותר הוא בעל ערך שונה מאפס. אנו מזהים מצב זה כמצב יסוד של הוואקום.

מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק.

ביחסות כללית קיים עקרון שאומר כי צופים במערכות קורדינטות אינרציאלית שונות יראו את אותו ריק, כלומר ע"פ ההסבר לעיל, אם לריק יש ערק השונה מאפס, וכל צופה רואה את אותו ערך, אנרגית מצב היסוד של הריק הינה קבוע של הטבע. אם עתה נוסיף את ההבנה מתוך פיזיקת חלקיקים האומרת כי הקבוע הקוסמולוגי ואנרגית מצב היסוד של הריק חד הם, ניתן לחשוב על הקבוע הקוסמולוגי כקבוע אמיתי. למעשה הוא מתקבל כקבוע אניטגרציה במשוואות איינשטין. כלומר צפיפות האנרגיה של הוואקום היא קבועה (קרי \rho_\Lambda=constant), וניתן, באופן אנלוגי לדמות את המצב לנוזל אידיאלי בעל לחץ שלילי כלומר, ניתו לתאר משוואת מצב כדלכמן: P_\Lambda=-\rho_\Lambda. במקרה כזה הקשר בין הקבוע הקוסמולוגי לצפיפות האנרגיה של הריק הוא: \rho_{vac}=\rho_\Lambda=\frac{\Lambda}{8\pi G}.

כלומר צפיפות האנרגיה של הריק היא קבועה, על, צפיפות האנרגיה האפלה קבועה, ועל כן השם:"הקבוע הקוסמולוגי".

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית


מחברים


סמדר נאוז