חתן פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2019 James Peebles לקח על עצמו להתמודד מול היקום כולו, על כל מיליארדי הגלקסיות וצברי הגלקסיות שבתוכו. המסגרת התיאורטית שהוא פיתח במשך שני עשורים מהווה את הבסיס להבנתו המודרנית באשר להיסטוריה של היקום, החל מהמפץ הגדול וכלה בימינו אלו כותבים חברי וועדת הפרס. בכתבה זו נביא הרחבה על חשיבות תגליתו של פרופ' פיבלס.
פרס נובל בפיזיקה לשנת 2019 מוענק עבור תובנות חדשות אודות המבנה וההיסטוריה של היקום, ועבור הגילוי הראשון אי פעם של כוכב לכת החג מסביב לכוכב דמוי-שמש מחוץ למערכת השמש שלנו. תגליות אלו שינו לעד את ההבנה שלנו באשר לעולם בו אנו חיים.
הבראשית של קוסמולוגית המפץ הגדול
חמשת העשורים האחרונים מהווים את תור הזהב של עולם הקוסמולוגיה, חקר הבריאה וההתפתחות של היקום שלנו. בשנות השישים, הונחה התשתית שתסיט את תחום הקוסמולוגיה מהשערות בלבד למדע מוצק. חוקר המפתח בשינוי זה היה ג'יימס פיבלס, אשר התגליות המוכחות שלו שמו את תחום הקוסמולוגיה על המפה המדעית, תוך שהוא מעשיר את מלוא התחום המחקרי הזה. הספר הראשון שהוא פרסם קוסמולוגיה פיזיקלית (1971), נתן השראה לדור שלם של פיזיקאים שהמשיכו לתרום להתפתחותו של התחום, לא רק באמצעות השערות תיאורטיות אלא גם על בסיס תצפיות ומדידות. המדע, ורק הוא, יוכל לתת תשובות לשאלות הבסיסיות באשר למקור מוצאנו ולמקום שאליו אנו מתקדמים; תחום הקוסמולוגיה השתחרר מרעיונות אנושיים כמו אמונה ומשמעות קיומית. התפתחות זו מהדהדת את המילים של אלברט איינשטיין מתחילת המאה הקודמת שקבע כי התעלומה של העולם היא הבנתו המלאה. הסיפור של היקום, נרטיב מדעי של התפתחות התבל, הפך למוכר רק במהלך מאה השנים האחרונות. קודם לכן, היקום נתפס בתור מבנה נייח ונצחי, אולם בשנות העשרים אסטרונומים גילו כי כל הגלקסיות נעות הרחק זו מזו וגם מהגלקסיה שלנו. היקום מתרחב. כעת אנו יודעים שהיקום הנוכחי שונה מזה של אתמול והוא יהיה שונה גם מזה של מחר. מה שהאסטרונומים ראו בשמים כבר נחזה על ידי אלברט איינשטיין במסגרת תורת היחסות עוד בשנת 1916, התאוריה המהווה היום את הבסיס של כל החישובים בקנה מידה גדול של היקום. כאשר איינשטיין גילה שהתיאוריה שלו מובילה למסקנה כי היקום מתפשט, הוא הוסיף סייג למשוואות שלו (הקבוע הקוסמי) אשר יאזן את ההשפעות של כוח המשיכה ובלעדיו היקום יהפוך ליקום שעומד מלכת. במשך העשור שלאחר מכן, מרגע שהתפשטות היקום נצפתה בברור, סייג זה לא נדרש יותר. איינשטיין התייחס לסייג זה בתור המשגה הגדול בחייו. לא היה לו כל מושג שהקבוע הקוסמולוגי יחזור לקדמת הבמה המדעית של תחום הקוסמולוגיה בשנות השמונים, לא מעט בזכות תרומותיו המחקריות של ג'יימס פיבלס.
הקרניים הראשונות של היקום חושפות הכל
התפשטות היקום משמעותה שבעבר הוא היה הרבה יותר דחוס וחם. במחצית המאה העשרים ראשיתו של היקום קיבלה את השם ’המפץ הגדול’. אף אחד לא ממש יודע מה התרחש בבראשית, אולם היקום הראשוני היה גדוש באסופה דחוסה, יוקדת ועמומה של חלקיקים, אשר בחשיפה אליהם, חלקיקי האור, פרוטונים, פשוט ניתרו מסביב.
נדרשו כמעט ארבע מאות אלפי שנים של התפשטות בכדי שאסופה קדמונית זו תתקרר לכדי כמה אלפי מעלות צלזיוס. החלקיקים המקוריים יכלו לחבור יחדיו, תוך יצירת גז שקוף שהורכב ברובו מאטומי מימן והליום. רק עכשיו יכלו הפוטונים לנוע בחופשיות כך שהאור יכול היה לעבור דרך החלל. קרניים ראשונות אלו עדיין ממלאות את היקום. התפשטות החלל הביאה להרחבת הגלים בתחום האור הנראה כך שהם הפכו לגלים בתחום המיקרוגל הבלתי נראה, עם אורך גל של מילימטרים אחדים.
הבוהק מבריאת היקום נלכד לראשונה במקרה, בשנת 1964, על ידי שני אסטרונומים אמריקאים: חתני פרס הנובל לשנת 1978 רוברט ווילסון (Robert Wilson) וארנו פנזיאס (Arno Penzias). הם לא הצליחו למדוד את הרעש הקבוע שהאנטנה שלהם קלטה מהחלל, ואז הם ניסו למצוא תשובה במחקריהם של אחרים, לרבות במחקרו של ג'יימס פיבלס, אשר ניסח חישובים תיאורטיים של קרינת רקע זו. לאחר כמעט ארבע עשר מיליוני שנים, הטמפרטורה שלה צנחה לקרוב לאפס המוחלט (מינוס 273 מעלות צלזיוס). פריצת הדרך המשמעותית הגיעה כאשר פיבלס הבין שטמפרטורת הקרינה יכולה לספק מידע באשר לכמות החומר שנוצר ברגע המפץ הגדול, והבין כי כמות זו תוכל לקבוע כמה חומר יוכל לאחר מכן ליצור את הגלקסיות ואת צברי הגלקסיות שנמצאות כיום ביקום.
הגילוי של קרינת המיקרו הביא לעולם את העידן החדש של הקוסמולוגיה המודרנית. הקרינה הקדמונית מבריאתו של היקום הפכה למכרה זהב המסתיר בתוכו את התשובות לכמעט כל השאלות שהקוסמולוגיים רוצים לענות אליהן – מה גילו של היקום? מהו יהיה גורלו? מהי כמות החומר והאנרגיה הקיימים בתוכו?
מדענים מסוגלים למדוד עקבות של הרגעים הראשונים ביותר של היקום בעזרת זוהר קדמוני זה, שינויים זעירים המתקדמים כמו גלי קול דרך האסופה הבראשיתית הזו. ללא שינויים זעירים אלו, היקומים היו מתקררים מכדור אש חם לכדי תוהו ובוהו אחיד וקפוא. אנו יודעים היום שהתרחשות זו לא קרתה, ושהחלל גדוש בגלקסיות, שבדרך כלל נאספו לכדי צברי גלקסיות. קרינת הרקע חלקה ואחידה, בדומה לפני השטח של מי האוקיאנוסים; הגלים מתגלים מקרוב, אדוות החושפות את השינויים הזעירים שקרו מאז היקום המוקדם.
מחקר אחרי מחקר, ג'יימס פיבלס הוביל את הפשר של עקבות קדמוניים אלה שהחלו מאז העידנים הקדומים ביותר של היקום. ברמת דיוק מדהימה, קוסמולוגים הצליחו לספק תחזיות באשר לשינויים בקרינת הרקע ולהראות כיצד הם משפיעים על החומר והאנרגיה ביקום.
פריצת הדרך הראשונה מבחינת תצפית הגיעה באפריל שנת 1992, כאשר חוקרים ראשיים במיזם הלוויינים האמריקאי COBE פרסמו תמונה של הקרניים הראשונות אי פעם ביקום (פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2006 הוענק לשני החוקרים
ג'ון קרומוול מאת'ר וג'ורג' סמוט). לוויינים אחרים (WMAP האמריקאי וטלסקופ החלל פלאנק) הגבירו בהדרגה את כושר ההפרדה של התמונות מהיקום הצעיר. בדיוק כפי שנחזה, השינוי בטמפרטורת קרינת הרקע נמדד כמאית האלפית של מעלת צלזיוס. עם השיפור ברמת הדיוק, החישובים התיאורטיים של החומר והאנרגיה הנכללים ביקום הפכו למדידות מדויקות, כאשר תשעים וחמישה אחוזים מכמות זו חבויים מאתנו.
אבי בליזובסקי 8/10/2019