שאלה:האם יש בעיות בתאורית המפץ הגדול?

מתוך אסטרופדיה
גרסה מ־02:24, 9 באפריל 2010 מאת Eran (שיחה | תרומות) (בעיות בתאורית המפץ הגדול)
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

שאלה: האם יש בעיות בתאורית המפץ הגדול? האם ההסחה לאדום עשויה להיגרם מסיבות אחרות שאינן קשורות בהתפשטות היקום (למשל הסחה לאדום כבידתית)?

שם השואל: עידו סלמן

תאריך: 03-04-2010

הקדמה

המפץ הגדול הוא מודל קוסמולוגי המתאר את התפתחות והיווצרות היקום. על פי מודל זה היקום החל את "חייו" לפני כ 13.7 מיליארד שנה בצפיפות וטמפרטורה גדולות מאד. מאז מתפשט היקום והמרחק האופייני בין גופים חומריים ביקום גדל (ראו גם: חוק האבל). הרעיון למודל המפץ הגדול נולד לאחר התצפיות של האבל שפורסמו בשנות ה-20 של המאה ה-20. תצפיות אלו הראו כי גלקסיות רחוקות מתרחקות מאיתנו ומהירות התרחקותן הינה מתכונתית למרחק העצם מאיתנו. שילוב העובדה התצפיתית הנ"ל יחד עם חוקי הפיזיקה ובפרט תורת היחסות הכללית וכן עם העיקרון הקוסמולוגי הובילו למספר תחזיות שהחשובות שבהן:

  1. קיומה של קרינת הרקע הקוסמית.
  2. תחזיות מפורטות לגבי הפרעות בקרינת הרקע הקוסמית.
  3. שכיחות היסודות הקלים ביקום.
  4. אפלוליות שמי הלילה.

כל התחזיות הללו אומתו בתצפיות מפורטות ועל כן תאורית המפץ הגדול הינה מבוססת על יסודות איתנים. כיום לא קיימות תאוריות חלופיות שעשיות להסביר את העובדות התצפיתיות הללו. בנוסף לתאורית המפץ הגדול קימות תחזיות שאולי יהיה ניתן לאמתן תצפיתית בעתיד.

נציין כי העיקרון הקוסמולוגי מהווה בסיס פילוסופי לתאורית המפץ הגדול, אך קיים קושי לבחון תצפית רעיון זה. אם כי, קיימים רעיונות תצפיתיים שאולי יאפשרו בעתיד בדיקת עיקרון זה.

תשובה

קימות מספר בעיות יסודיות בתאורית המפץ הגדול, אך בעיות אלו הינן ניתנות לפיתרון באמצעות הרחבה של תאורית המפץ הגדול הקרויה אינפלציה. הבעיה העיקרית אם מודל האינפלציה היא הקושי לבחון הוא באופן תצפיתי, אם כי יתכן ובחינה תצפיתית מדוקדקת שלו תיהיה אפשרית בעתיד.

ההסחה לאדום כלל וכלל איננה נקודת תורפה של מודל המפץ הגדול. למעשה, כיום, לא קיימים הסברים קונסיסטנטים אחרים שמסבירים את ההסחה לאדום של גלקסיות. למשל הסחה לאדום כבידתית לא יכולה להסביר את העובדה כי מהירות ההתרחקות מתכונתית ישר למרחק.

להלן הסברים מפורטים מעט יותר לגבי שתי נקודות אלו:

מקורה של ההסחה לאדום הקוסמולוגית

ההסחה לאדום הינה תופעה בה אורך הגל של גלים אלקטרומגנטיים (למשל אור ניראה) מתארך (ובאור ניראה הצבעים מוסטים לאדום). תופעה זו נגרמת בגלל אפקט דופלר הגורם להסחת אורך הגל של גלים באופן כללי וגלים אלקטרומגנטיים בפרט כאשר המקור מתקרב לצופה. מקורו של המושג "ההסחה לאדום" נעוץ בעובדה שעבור אור ניראה הצבע הכחול הוא בעל אורך גל קצר יותר מהצבע האדום.

התפשטות היקום (ראו המפץ הגדול וחוק האבל), גורמת לכך שהאור מעצמים רחוקים המתרחקים מאיתנו בהתאם לחוק האבל יוסח לאדום, תופעה זו נובעת מהתשפטות המרחב והתוצאה הסופית שלה דומה לזה של אפקט דופלר.

חוק האבל

חוק האבל הוא חוק אמפירי (המבוסס על תצפיות) הקובע כי עצמים ביקום מתרחקים מאיתנו ומהירות ההתרחקות שלהם מאיתנו מתכונתית למרחקם מאיתנו. מאחר ואין שום סיבה להניח כי אנו נמצאים בנקודה מיוחדת ביקום (ראו גם: העיקרון הקופרניקאי והעיקרון הקוסמולוגי), הכללתו של קבוע האבל לכל נקודה ביקום משמעה כי כל העצמים ביקום מתרחקים זה מזה במהירות המתכונתית ישר למרחקם זה מזה. רעיון זה, המבוסס כאמור על ההתפשטות הנצפית של היקום, הוא העומד בבסיסו של מודל המפץ הגדול.

חוק האבל ניתן לתיאור פשוט, במרחקים נמוכים (ראו פרק בנושא חוק האבל במרחקים גדולים) ע"י הנוסחא:

v=\,H_{0}d

כאשר v היא מהירות ההתרחקות של עצם הנמצא במרחק d מאיתנו ו H0 הוא קבוע האבל עבור הזמן הנוכחי (שבו מתבצעות המדידות). במידה והמהירות נמדדת בק"מ לשנייה והמרחק במגה-פרסק אזי היחידות של קבוע האבל הן: ק"מ לשנייה למגה-פרסק.

ההערכות הטובות ביותר כיום, המבוססות על מגוון שיטות מדידה, לגבי ערכן של קבוע האבל הן כ 72 ק"מ לשנייה למגה-פרסק והאי-ודאות בערכו היא בסביבות ה-10%. נציין כי קרינה אלקטרומגנטית המגיעה אלינו ממעמקי באר כבידה תיראה לצופה רחוק כמוסחת לאדום, אך התפשטות היקום אינה חלה על עצמים הקשורים כבידתית. לדוגמא: השפעת חוק האבל על מסלולו של כוכב הלכת מאדים נקבל כי מאדים היה אמור להתרחק מהשמש בשיעור של כ-16 מטר בשנה. השינוי של מרחקו של מאדים מכדור הארץ (ומהשמש) נמדד במהלך משימת ויקינג בדיוק טוב הרבה יותר וכצפוי ממדידות אלו אנו יודעים שחוק האבל איננו משפיע על מסלול כוכבי הלכת ולמעשה כל השינויים שנמדדו במסלולו של מאדים מוסברים היטב על ידי תורת היחסות הכללית.

מדידת התפשטות היקם והפרמטר של האבל

בפועל, על מנת למדוד את פרמטר האבל, אנו מודדים את מהירות ההתרחקות של גלקסיות מאיתנו ע"י הסחתן לאדום (ראו: אפקט דופלר). את מרחקן אנו מודדים באמצעים שונים, הכוללים בד"כ עצמים בהירים שאת בהירותם המוחלטת או את התפלגות בהירותם המוחלטת אנו יודעים, כגון: קפאידים, סופרנובות מטיפוס Ia, סופרנובות מטיפוס IIp, ערפיליות פלנטריות, צבירים כדוריים, או בשיטות סטטיסטיות כגון פלקטואציות בבהירות המשטחית (Surface Brightness Fluctuations). אם נשרטט את מהירות התרחקות הגלקסיות מאיתנו כתלות במרחקן אזי השיפוע של הגרף שיתקבל יהיה קבוע האבל. כיוון שניתן להעריך את מסת האוביקט (וכך את באר כבידה) ניתן לשלול הסחה לאדום כבידתית.

קיימות גם שיטות מורכבות יותר שאינן כוללות שימוש בנרות סטנדרטים (קרי עצמים שבהירותם המוחלטת ידועה). שיטות אלו כוללות את אפקט סונייב-זלדוביץ', קרינת הרקע הקוסמית, ומדידת עיכוב זמן של קוואזרים מעודשים כבידתית.

בעיות בתאורית המפץ הגדול

קיום תאורית המפץ הגדול מקובלת ע"י קהילת המדענים, והבעיות המיוחסות לתאוריה הן בעיקר בעיות היסטוריות אשר נפתרו ע"י שינויים במודל הסטנרדטי. ראשית נתאר את הבעיות ולאחר מכן נציג את הפיתרון.

בעית האופק / בעית הסיבתיות (הקוזאליות)

כיוון שמהירות האור היא סופית קיים מרחק סופי שאור יכול לעבור בגיל היקום. איזור זה נקרא אופק קוסמולוגי (או אופק חלקיקים, והכוונה לאופק אירועים קוזאלי), הוא ניקרא גם אופק האבל והוא מתאר את הגודל המקסימלי שאור יכול לעבור בגיל היקום. אחד מחוקי הפיזיקה הוא כי לא תתכן מהירות גבוה ממהירות האור. על כן מידע לא יכול לעבור בין שתי נקודות במהירות גבוה ממהירות האור. לכן אופק החלקיקים מגדיר את הנפח המקסימלי שמידע יכול לעבור בו.

כלומר

אם נביט על שתי נקדות בכיפת השמים, למשל מזרח ומערב, ונחשב את אופק היקום שהיה לכל נקודה בזמן השחבור (כשהיקום היה כבן 400,000 שנה) נקבל כי האופק שלהם היה קטן יותר מהמרחק בניהן. במילים אחרות לא היה קשר סיבתי (קוזאלי) בניהן. עם זאת מקבלים (מתוך תצפיות בקרינת הרקע הקוסמית, אשר הגיעה אלינו מזמן השחיבור) כי הטמפרטורה שלהם זהה (עד ל- 1 חלקי 100,000).

הבעיה היא כיצד איזורים אשר לא היו בקשר סיבתי אחד עם השני (כלומר לא היתה העברת מידע בין איזור אחד שלני) היוי עם אותה טמפרטורה.

בעית היקום השטוח

בעית המונופולים

בעית החומר והאנטי חומר

למעשה לבעיה זו לא נמצא פתרון במסגרת תאורית המפץ הגדול.

פתרון לבעיות

פתרון הבעיה הוצג בשנות --- ע"י הוספת שלב למודל התפתחות היקום הנקרא אינפלציה (באנגלית inflation). האינפלציה היתה שלב ביקום המוקדם (לפני מודלים קיימים כיום בין 10^{-36} שניות לבין 10^{-32} ) בו היקום התפשט באופן אקספונציאלי ולמעשה מחק את תנאי ההתחלה איתם התחיל היקום. בזמן האינפלציה הפרעות באורכי גל שונים יצאו מתחום הקוזאליות של היקום. במילים אחרות, היקום התפשט כל כך מהר שזמן שלקח לאור לנוע במהירות האור משני צידי כדור (שנתאר כהפרעה בצפיפות) היתה גדולה מגיל היקום. כלומר שני צידי הכדור לא יכלו לדעת אחד על השני. נהוג לומר כי הם יצאו מהאופק של היקום.

פתרון בעית הסיבתיות

ראו גם

הרצאות וידאו

מחברים


סמדר נאוז, ערן אופק