נובל לפיזיקה: האם היקום עתיד להיקרע לגזרים?
אם התפשטות היקום הולכת ומואצת, הרי שסופו של היקום שיהפוך דליל יותר ויותר עד שיגיע לקצו במוות קר. ד"ר אבישי גל-ים ממכון ויצמן למדע מספר על התגלית המסעירה של חתני פרס נובל לפיזיקה לשנת 2011
מאז שחר ההיסטוריה תוהים בני האדם המסתכלים בשמי הלילה הנוצצים לגבי היקום – גודלו, מיקומנו בתוכו ומה צופן לנו העתיד. במשך מאות ואלפי שנים העסיקו נושאים אלו אנשי דת, סופרים, משוררים ואמנים ולצידם את ראשוני המדענים והאסטרונומים – בבבל, ביוון, במצרים, בתרבויות המזרח הרחוק – כמעט לכל ציביליזציה אנושית יש מסורת משלה לגבי גרמי השמיים והקשר שלהם אלינו, בני האדם.
אולם, רק במאות השנים האחרונות, בעקבות פעולתם החלוצית של הוגים, ממציאים ואסטרונומים כקופרניקוס, קפלר, גליליאו וניוטון החל מדע האסטרונומיה לתפוס את מקומו בקרב מדעי הטבע כענף של מחקר כמותי ומתמטי של היקום. תורת היחסות הכללית של איינשטיין אפשרה לראשונה לנסות ולחקור באופן כמותי גם את היקום בכללותו ולחשוב על שאלות יסוד כגון האם היקום קבוע ונצחי או שמא מתפתח ומשתנה, ומה צופן לנו העתיד.
עולם הולך ומתרחק
בחלק הראשון של המאה העשרים צעד מדע הקוסמולוגיה (חקר היקום) צעד ענק קדימה בזכותו של האסטרונום האמריקני הנודע אדוין האבל. האבל גילה כי היקום מלא בגלקסיות (קבוצות של מיליארדי כוכבים) שצורתן דומה לזו של גלקסית שביל החלב בה אנו חיים.
האבל הצליח למדוד את המרחק לגלקסיות שונות ולהבדיל בין גלקסיות קרובות ורחוקות. אולם תגליתו המפתיעה ביותר התבססה על מדידת מהירות התנועה של גלקסיות שונות. הסתבר, כי הגלקסיות נוטות להתרחק מאיתנו וכי מהירות ההתרחקות גדלה ככל שמרחקה של הגלקסיה רב יותר – גלקסיות קרובות מתרחקות מאיתנו באיטיות, וגלקסיות מרוחקות מתרחקות מאיתנו במהירות גדולה.
התגלית, שזכתה לכינוי "חוק האבל" הייתה מהפכנית כי השתמע ממנה שהיקום אינו קבוע ונצחי אלה משתנה ומתפתח – העובדה שהגלקסיות מתרחקות זו מזו מצביעה על כך שהיקום בכללותו הולך ומתפשט.
ניתן לדמיין את ההתפשטות הזו אם נחשוב על היקום כפני שטח של בלון שעליו מצוירים כוכבים. כשאנו מנפחים את הבלון הוא מתפשט והמרחקים בין הכוכבים (כולם) הולכים וגדלים. אילו היו נמלים עומדות על כל כוכב ומתבוננות זו בזו, הרי שמנקודת מבטה של כל אחת מהנמלים היו כל הנמלים האחרות מתרחקות והולכות. יותר מכך, מהירות ההתרחקות של נמלים רחוקות הייתה גדולה ממהירות ההתרחקות של נמלים קרובות.
מאז תגליתו של האבל (שנפטר לפני שזכה בפרס נובל, אליו היה מועמד) התמקדו מדענים במשך עשרות שנים בחקר התפשטות היקום. השאלה העיקרית הייתה האם מהירות ההתפשטות קבועה, או שמא התפשטות היקום הולכת ומואטת.
הסיבה להנחה כי התפשטות היקום תאט עם הזמן נובעת מהשפעתו של כח הכבידה. בין כל שני חלקיקים ביקום פועל כח הכבידה הגורם להם להימשך זה לזה. בין גופים כבדים מאוד (כגון גלקסיות) פועל כח כבידה חזק (אם כי עצמתו פוחתת ככל שהמרחק בין הגופים רב יותר).
מכיוון שכל הגלקסיות ביקום מושכות זו את זו, הרי שגם אם כעת הן מתרחקות זו מזו, השפעת כח הכבידה עתידה להאט את מהירות התפשטותן ואולי אף להביא, במרוצת הזמן, להיפוך ההתפשטות ולהביא להתכווצות (כלומר, שבעתיד ינועו כל הגלקסיות ביקום זו לעבר זו).
אם נחזור לדוגמת הנמלים שלנו, נדמיין כי כל נמלה עומדת על כוכב מגנטי קטן, וכן שהבלון שעליו הן עמדו התפוצץ והעיף את הנמלים על כוכביהן המגנטיים לכל עבר. מכיון שהמגנטים מושכים זה את זה, גם אם הנמלים מתרחקות כעת זו מזו, כח המשיכה ביניהן יפחית את מהירות ההתפשטות עם הזמן, ואולי, אם המגנטים חזקים מספיק, יביא בסופו של דבר לכך שכל הנמלים יתכנסו מחדש לאותה נקודה.
ההתכווצות הגדולה?
ובחזרה ליקום שלנו: למדידת מהירות ההתפשטות וקביעת קצב ההאטה חשיבות אדירה – אם נוכל להוכיח כי קצב ההתפשטות היקום הולך ומואט, יתכן כי בעתיד תעצר ההתפשטות לחלוטין וכל הגלקסיות יתכנסו חזרה לאותה נקודה. היקום, שהחל, כך מניחים, במפץ גדול שהפיץ את החומר ביקום לכל עבר, עשוי להסתיים בהתכווצות מחודשת. סוגיה זו היתה המוטיבציה למחקרים עליהם זכו השנה פרלמוטר, שמידט וריס בפרס נובל לפיזיקה.
בראשית שנות התשעים החלו סול פרלמוטר ממעבדות המחקר לורנס ברקלי בקליפורניה, ובמקביל בריאן שמידט ואדם ריס ששהו באותה עת בהרווארד, לתכנן מדידה של קצב התפשטות היקום בשיטה חדשה המתבססת על תצפיות של כוכבים מתפוצצים הקרויים סופרנובות מסוג Ia.
הרעיון מאחורי השיטה היה כזה: בשנת 1993 הראה האסטרונום האמריקני מארק פיליפס כי התפוצצויות מסוג זה הם "נרות סטנדרטיים", כלומר, עוצמת הקרינה הנפלטת מהם במקור ניתנת לכיול.
אם אנו יודעים את עוצמת הקרינה של מקור מרוחק וכמה קרינה מדדנו כאן, על כדור הארץ, נוכל להסיק מכך את מרחקו של מקור האור (כשם שבראותנו פנסים של מכונית בלילה אנו יכולים להעריך בקרוב את מרחקה כיון שעוצמת הפנסים של מכוניות ידועה לנו).
כלומר, אם נוכל ולמדוד את עוצמת ההארה של סופרנובות מרוחקות, נוכל לדעת את המרחק לגלקסיות אלו. במקביל, ניתן למדוד את מהירות ההתרחקות של הגלקסיות בהן התפוצצו הסופרנובות באמצעות אפקט דופלר (כפי שעשה האבל זמן רב קודם לכן) ולקבוע, האם הקשר בין המרחק למהירות ההתפשטות קבוע, או שהוא שונה עבור גלקסיות רחוקות מאוד.
מכיון שהאור מגלקסיות רחוקות נפלט לפני זמן רב, המדידה מאפשרת למדוד האם מהירות ההתפשטות כעת שונה מזו שהייתה בעבר. שתי הקבוצות תכננו למדוד בצורה זו את ההאטה הצפויה בשל כח הכבידה (כלומר, הם ציפו לגלות שמהירות ההתפשטות כיום קטנה יותר מזו שהיתה בעבר הרחוק).
קרב מוחות
שתי הקבוצות ביצעו את המדידות בערך באותה תקופה ונמצאו בתחרות מדעית עזה. לקראת סוף שנת 1998 הצטברו בידי שתי הקבוצות נתונים רבים: בידי פרלמוטר היו מדידות של מספר רב יותר של סופרנובות (42, ליתר דיוק) בעוד שבידי שמידט וריס היו פחות מדידות, אולם ברמת דיוק גבוהה יותר.
אנליזת הנתונים התנהלה במקביל על ידי פרלמוטר וצוותו במעבדות לורנס ברקלי ועל ידי אדם ריס שעבר לאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, במרחק של פחות מקילומטר זה מזה.
שתי הקבוצות שאפו להיות הראשונות להכריז על תוצאת המדידה ובסוף שנת 1998 הוגשו שני מאמרים לפרסום (מאמרו של פרלמוטר התפרסם בינואר 1999, כמה שבועות לאחר מאמרם של ריס ושמידט).
התוצאות זעזעו את הקהילה האסטרונומית. שתי הקבוצות מדדו באופן בלתי תלוי את השינוי במהירות ההתפשטות של היקום וגילו כי היקום אינו מאט והולך, אלא שההתפשטות הולכת ומואצת. כח נעלם כלשהו גבר על כח הכבידה וגרם לגלקסיות להתרחק זו מזו בקצב הולך וגובר.
פריצת הדרך המדעית נבעה מכך שלפיזיקאים לא היה ידוע אז (וגם היום) על כח כלשהו שעשוי לגרום לתופעה כמו זו שנמדדה. ההסבר לתופעה מכונה "אנרגיה אפלה" שמניחים שקיימת ביקום וגורמת להתפשטות המואצת, אולם טבעה של אנרגיה זו אינו ידוע עדיין כלל ועיקר.
שתי סיבות גרמו לקהילת הפיזיקאים הספקנית בדרך כלל לקבל את התוצאה החדשה במהירות יחסית. אחת היא ששתי קבוצות מתחרות הגיעו לאותן תוצאות בצורה בלתי תלויה (כלומר, תוך שימוש בתצפיות על סופרנובות שונות וניתוח הנתונים בשיטות שונות).
הסיבה השנייה הייתה שהיה ברור, במיוחד לגבי פרלמוטר, שהניסוי תוכנן במטרה למדוד את האטת היקום הצפויה ולא את ההאצה שנתגלתה. כאשר מדענים מגלים תוצאה הפוכה מזו שציפו לה, עמיתיהם נוטים לחשוש פחות מכך שהמדענים השפיעו על התוצאות (אפילו באופן תת-מודע) לפי נטיית ליבם.
מאז הגילוי הראשוני בשנת 1998 התוצאות אושרו שוב ושוב על ידי מדגמים נוספים וגדולים בהרבה של סופר נובות מסוג Ia, וכן על ידי ניתוח של מדידות אחרות (כגון קרינת הרקע הקוסמית) שאישרו את תוצאותיהם של פרלמוטר, שמידט וריס.
עתיד היקום בסכנה?
אולי הדרמטית מבין ההשלכות של מחקרם של זוכי הפרס היא ההשלכה לגבי עתיד היקום. אם התפשטות היקום הולכת ומואצת הרי שהגלקסיות ילכו ויתרחקו זו מזו לנצח. היקום שהחל במפץ גדול לא ישוב ויתכנס ("המעיכה הגדולה") אלא ילך ויהפוך לדליל וקר יותר ויותר, יווצרו בו פחות ופחות כוכבים חדשים וסופו למות "מוות קר".
אפשרות ספקולטיבית שהועלתה אף מניחה כי מהירות ההתפשטות תמשיך ותגדל עוד ועוד, עד שההתפשטות המואצת תקרע את הגלקסיות לגזרים, ולאחריהן גם את מערכות השמש, הכוכבים, כוכבי הלכת ואפילו האטומים עצמם – השערה מחרידה זו לגבי עתיד היקום מכונה "הקריעה הגדולה" (the big rip). בכל מקרה, תגליתם של שלוש זוכי הפרס היא קריטית להבנת התפתחות היקום ועתידו.
המהפכה המדעית שהחלו שלושת זוכי הפרס היא כיום אולי התעלומה הגדולה ביותר בפיזיקה: מהי האנרגיה האפלה וכיצר להסביר אותה באמצעות חוקי היסוד של הפיזיקה.
אלפי חוקרים ברחבי העולם – ניסיונאים ותיאורטיקנים, אסטרופיזיקאים, קוסמולוגים, אנשי פיזיקת החלקיקים וחוקרי תורת הכבידה עמלים על ניסוח ובחינה של הסברים למדידות המפתיעות משנת 1998, כך שמתן הפרס הוא בעיני ראוי ביותר (גם אם, באופן די נדיר, כל מקבליו צעירים למדי וממשיכים להיות מדענים פעילים ומובילים בתחומם).
לשלושת חתני הפרס קשרים רבים עם עמיתים בישראל, כולל מחקרים משותפים עם אסטרופיזיקאים ממוסדות שונים בארץ. פרופ' אדם ריס זכה בפרס סאקלר מטעם אוניברסיטת תל-אביב בשנת 2004 ופרופ' בריאן שמידט ביקר לאחרונה לפני כשלוש שנים במכון ויצמן.
אחד הנושאים שממשיך להעסיק אותנו הוא הניסיון להבין את טבעם של הכוכבים המתפוצצים בהם השתמשו זוכי הפרס בצורה מוצלחת כל כך, על מנת להעריך עד לאיזה דיוק ניתן להגיע במדידות שכאלו.
המחקר באסטרופיזיקה וקוסמולוגיה ממשיך להתפתח במהירות, ולבטח צפונות לנו עוד הפתעות רבות לפני שנבין את היקום לאשורו ואת חוקי הפיזיקה על פיהם הוא פועל.
ד"ר אבישי גל-ים הוא אסטרופיזיקאי מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע ומומחה לסופרנובות.
לפנייה לכתב/ת 
