מסע ביקום בעקבות "האנרגיה האפלה"
"אנרגיה אפלה" היא אחד הנושאים המסתוריים ביותר בעולם הפיזיקה, רעיון מהפכני שיכול להוביל לשינוי יסודי בתיאוריות המקובלות, בתנאי שיצליח לעמוד במשימה הנכבדת שלשמה הומצא: להסביר את התפשטותו המואצת של היקום
המושג "אנרגיה אפלה" נטבע ב- 1999, אם כי הרעיון הופיע לראשונה אצל אינשטיין כבר ב- 1917 בצורת "הקבוע הקוסמולוגי". בשנים האחרונות הפכה האנרגיה האפלה לאחד הנושאים המסתוריים והשנויים ביותר במחלוקת בתחומי הפיזיקה.
סיפורה מקיף תחומים רחבים של הפיזיקה והאסטרונומיה ומספק הארה מרתקת על הפילוסופיה של המדע, על הדרך בה הוא פועל, ועל מעמדם של ניבויים תיאורטיים שלא ניתן להוכיחם בזמן בו הם נעשים.
הון עתק ואינספור שעות מושקעים בהדמיה ובסקרים ספקטרוגרפיים, בניסיון להסביר מדוע תצפיות שונות מצביעות על התפשטותו המואצת של היקום.
יש סיבה טובה להשקעה הזאת - כדי להסביר התפשטות זו נדרשת לא פחות מהבנה מחודשת של הרכב היקום כולו. ככל הנראה לנו היום, ההסבר להאצה טמון בכך שכדור הארץ, שאר הפלנטות, הכוכבים וכל חומר ידוע ומוכר לנו, תופסים 4% בלבד מכלל החומר והאנרגיה שיש ביקום.
יותר ויותר ראיות מהימנות, שמקורן בסקרי גלקסיות ובמחקרים של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו (CMB), מלמדות כי החומר האפל הקר הלא-בַּריוני (CDM) תופס 21% נוספים, אבל כל 75 האחוזים הנותרים הם אנרגיה אפלה, שמהותה אינה ברורה לנו בצורה מניחה את הדעת. התגליות האלה מצריכות שינוי דרמטי בתפיסתנו, אולי אפילו שינוי גדול מזה שנדרש לאחר שקופרניקוס הראה כי כדור הארץ נע סביב השמש.
הקבוע הקוסמולוגי
ההיסטוריה של המדע רצופה בניבויים על תופעה שתתרחש בעתיד, או על חומר שעדיין לא התגלה. הניבוי מתבסס על תיאוריה מדעית קיימת. כך ניבא מנדלייב את היסודות שיימצאו בטבלה המחזורית, אדמונד האלי את מועד הגעתו של השביט האלי, ואינשטיין - את ההסטה של קרני האור כשהן עוברות בקרבת השמש.
סוג שונה מעט של ניבוי נובע מתיאוריה מדעית, שבמסגרתה מתגלות תופעות שאינן מוסברות באמצעות המודל התיאורטי. אנשי המדע מנסים להוסיף למערכת התיאורטית אלמנט נוסף, לא מוכר, שיפתור את אי-ההתאמות בין התצפיות במציאות לתיאוריה. כך, למשל, כדי "למלא" את החלל הריק, "הומצא" האֶתר כשדה המסוגל להוביל גלים אלקטרומגנטיים.
אינשטיין הציע והציג את הקבוע הקוסמולוגי, המסומן באות הלטינית למדא (^), כדי להתאים את הנתונים לתפיסת היקום התיאורטית שלו, אבל לא חלף זמן רב עד שהוא החל לראות בלמדא אלמנט מיותר ובלתי מצודד, ולבסוף ויתר עליו כליל.
ההוספה של ^ למשוואות השדה הכבידתי היא התיקון היחיד המתקבל על הדעת שאינו משנה במידה ניכרת את מבנה התיאוריה, ודי היה בכך שמונח זה לא יישכח וייעלם. באופן מפתיע, סדרת תצפיות שנעשו במרוצת המאה ה-20, רמזה בהתמדה על נוכחותו.
השימוש של אינשטיין בקבוע הקוסמולוגי נועד לבטל את ההשפעות הדוחסות של הכבידה, שמנבאות את קריסת (או את התפשטות) היקום, מפני שהוא היה בטוח באותה תקופה כי היקום הוא סטטי ונצחי.
אינשטיין ראה את הקבוע האמור כתכונה של המרחב עצמו, אבל אפשר לפרשו גם כצורה של אנרגיה שאחידותה ממלאת את כל המרחב. אינשטיין התאכזב מהמונח וזנח אותו סופית ב-1931, לאחר שאדווין האבל ומילטון הומאסון גילו שהיקום דווקא מתפשט.
מאז ואילך היה נראה כי ^ מוחזר לקוסמולוגיה כל אימת שיש להסביר בעיה, ומושלך מאוחר יותר, כאשר נתונים נוספים נעשים זמינים והופכים אותו, בעיני המדענים, למיותר ובלתי טבעי.
ברגע ששתי קבוצות יריבות של ציידי סופרנובות השלימו ב-1998 שנים של תצפיות מאומצות בתגלית המדהימה, שהתפשטות היקום היא תהליך מואץ, נקרא שוב הקבוע הקוסמולוגי של אינשטיין לדגל, כדי להסביר מה מניע את ההתפשטות המואצת הזו.
במהירות מפתיעה, כמעט בן לילה, אימצה הקהילה המדעית מודל חדש של היקום. מתברר שהאסטרונומיה הייתה בשלה לשינוי. אין ספק שהתצפיות בסופרנובות מילאו תפקיד מכריע בשינוי הפרספקטיבה של הנוגעים בדבר, אבל ההתקבלות המהירה של התיאוריה החדשה ושל מה שקיבל את השם "אנרגיה אפלה", מוסברת בעשור של הבשלה שקדם לתצפיות הללו.
אינפלציה קוסמית וחומר אפל קר
שורשי השינוי נעוצים ב-1980, אז הציע אלן גות פתרון נועז לחלק מהבעיות שעוררה התיאוריה הסטנדרטית של המפץ הגדול בשנות השבעים. הוא גילה מנגנון שעשוי היה לגרום ליקום להתנפח, או לעבור אינפלציה בשיעור מדהים בפרק זמן קצר לבלי האמן. האינפלציה שהתרחשה מיד אחרי המפץ הגדול הייתה אדירה עד כדי כך, שהיקום התפשט במרחב זמן בן 35-10 שניות יותר מכפי שהתפשט ב-13.7 מיליארד השנים, לפי האומדן, מאז ואילך.
אחת הדרכים החשובות ללמוד על חומר אפל ועל אנרגיה אפלה היא מחקר של השינויים הזעירים בטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו (CMB). הקרינה הזאת החלה לנוע לעברנו 380,000 שנים לאחר האירוע המקובל עלינו כתחילתו של היקום, כאשר גודלו של היקום הנצפה היה אלפית משיעורו הנוכחי, והטמפרטורה שלו 3,000 קלווין בקירוב.
אנרגיה אפלה: ניסיון להגיע להבנה מלאה של הקוסמוס (צילום: Index open)
מתחת לטמפרטורה הזאת לא הייתה לפוטונים אנרגיה די הצורך להתיז אלקטרונים מתוך האטומים שלהם, ולכן פסקה האינטרקציה של הפוטונים עם האטומים והיקום נעשה שקוף לאור. ב-13.7 מיליארד השנים החוצצות בין העת ההיא ובין העת הנוכחית היקום התפשט והתקרר, וכיום אפשר לגלות את הפוטונים הראשונים בטמפרטורה של 2.7 קלווין בקירוב.
כדי להשלים את הרכיב החסר שמסביר את ההתפשטות המואצת והיקום השטוח, הכניסו קוסמולוגים לשימוש את השם "אנרגיה אפלה", כדי להקיף באמצעותו את כל הרעיונות שעלו עד אז. כאשר נתוני הסופרנובות הצביעו על כך שהתפשטות היקום מואצת והובעה דרישה להחזרת הקבוע הקוסמולוגי, היה קל לעבור תהליך מהיר של אימוץ מושג האנרגיה האפלה.
לקראת חלופות ומודלים חדשים
אם אנחנו יכולים ללמוד משהו מההיסטוריה המדעית החדשה, הרי זה שאסור לנו להתעלם מהראיות כאשר הן מוטחות בפנינו. ההוספה של שני מונחים שאינם מובנים די הצורך – אנרגיה אפלה וחומר אפל – לתיאוריה של אינשטיין עלולה אמנם להשחית את האלגנטיות ואת היופי של התיאוריה הזאת, אבל פשטות בפני עצמה אינה חוק טבע.
כך או כך, גם אם הטיעון בזכות האנרגיה האפלה קיבל חיזוקים רבים בעשר השנים שחלפו מאז הצגתו לראשונה, רבים אינם חשים בנוח עם המודל הקוסמולוגי הנוכחי. מודל זה אכן עולה בקנה אחד עם כל הנתונים השוטפים, אבל אין לו שום הסבר במונחים של פיזיקה יסודית, וגם הרכב היקום נראה במובן מסוים שרירותי. כתוצאה מכך הוצעו מספר חלופות אפשריות לאנרגיה האפלה, ואין לדחות על הסף את ההסתברות, שתפיסתנו את היקום תעבור מהפך נוסף בעשור הבא.
אילו רעיונות לשינויים פוטנציאליים במודל הפיזיקלי המוכר לנו מוצעים היום ויכולים להסביר את התופעות? נציג כמה מהאופציות:
1) הפרה של העיקרון הקופרניקאי
כיום אנו מניחים ששביל החלב אינו תופס מקום ייחודי ומיוחד ביקום, אבל אם יתברר שאנו חיים בליבו של אזור תת-צפוף גדול, אולי יהיה בכך כדי להסביר מדוע הסופרנובות נראות לנו עמומות, אף אם אין קיום לשום צורה של אנרגיה אפלה.
2) תיקון של הבנתנו את הכבידה
יכול להיות שעלינו לחפש תיאוריה מושלמת יותר של כבידה מעבר לתורת היחסות הכללית. התפתחויות מסעירות חדשות בתיאוריה של "עולמות ממברנה" מציעות השפעה של ממדים מרחביים נוספים, אבל סביר שהמסתורין של האנרגיה האפלה והתאוצה הקוסמית לא ייפתרו לפני שיהיה אפשר לשלב בהצלחה את תורת הכבידה ותורת הקוונטים.
3) רב-יקומים
בשנות השמונים היו מי שהצביעו על כך, שההשפעה של ^ על ההיווצרות של מבנה ביקום יכולה להיות דרמטית. אילו היה הקבוע הקוסמי חיובי וגדול מדי, היה במצב זה כדי למנוע מהכבידה ליצור גלקסיות גדולות, כך שהחיים כפי שאנו מכירים אותם לא היו מופיעים מעולם.
המשמעות של שימוש זה בתורת ההסתברות היא חיזוי מספר אינסופי של יקומים, ש-^ יכול לקבל בהם את כל הערכים האפשריים. מדענים רבים אינם מאמינים ברעיונות אלו, מפני שהם אינם יוצרים חיזויים בני-הפרכה, ונראה כי משתמע מהם סוג של עקרון חיים או כוונה המצויים בדו-קיום עם חוקי הפיזיקה. כך או כך, תורת "עולמות הממברנה" חוזה מספר עצום של ואקומים עם ערכים אפשריים שונים של פרמטרים פיזיקליים.
לאור השאלות הללו מוקד המחקר בקוסמולוגיה השתנה בשנים האחרונות בצורה דרמטית, ורבות מהתצפיות האסטרונומיות המתוכננות או המבוצעות עתה, מיועדות בראש ובראשונה להוסיף תגליות על הגורם המצוי ביסוד ההאצה הקוסמית. לדוגמה, סקר האנרגיה האפלה.
בסקר זה ייעשה שימוש בטלסקופ מצויד במצלמה חדשה שקוטרו 4 מטרים, המוצב בצ'ילה. טלסקופ זה יעמיק להתבונן בשמים של חצי הכדור הדרומי וימפה את ההתפלגות של 300 מיליון גלקסיות על פני 5,000 מעלות רבועות (שמינית של השמים).
האנרגיה האפלה תימדד באמצעות ארבע בדיקות: התקבצות גלקסיות בקנה מידה גדול, העושר של צבירי גלקסיות כבדים, עיוות צורת הגלקסיות בשל הטיית אור הנגרמת על-ידי התפלגות המסה לאורך קו הראיה , וכן מדידת המרחקים אל סופרנובות.
התצפיות בטלסקופ זה יחלו ב-2011, והסקר יושלם ב-2016. בפרויקט כולו משתתפים יותר מ-100 מדענים מארה"ב, מבריטניה, מברזיל ומספרד, כולל כותב מאמר זה.
למרבה המזל, כמעט כל תוצאה אפשרית של הסקרים האלה תעורר עניין רב. אם טעויות שיטתיות גדולות בנתונים ילמדו ששוב אין צורך להניח את קיומה של אנרגיה אפלה, תהיה זו פריצת דרך חשובה. אם, לעומת זאת, הנתונים יתמכו בקיומה של אנרגיה אפלה או בתיקון של הכבידה, תהיה לכך השפעה יסודית על הפיזיקה בכללותה.
פרופ' עופר להב הוא ראש הקתדרה לאסטרונומיה והחוג לאסטרופיזיקה ביוניברסיטי קולג', לונדון. מחקריו מתמקדים בתצפיות בגלקסיות כבסיס להבנת החומר ביקום.
המאמר נכתב בשיתוף עם לוסי קאלדר והתפרסם בכתב העת "אודיסיאה"
לפנייה לכתב/ת 
