כשאנחנו מביטים אל השמיים במקום מרוחק וללא זיהום אור, אנחנו יכולים לראות כוכבים רבים כל כך עד שקשה לספור אותם. למרות מספר הכוכבים האדיר שמעלינו, מרבית השמיים חשוכים, ותמונות שצולמו בחלל מעידות שהחלל חשוך ברובו. אם החלל מלא בכוכבים, למה הלילה לא מואר באור של כל הכוכבים שביקום? השאלה הזאת, שהעסיקה חוקרים מאז המאה ה-16, קרויה "הפרדוקס של אולברס", על שם האסטרונום הגרמני היינריך וילהלם אולברס (Olbers), שכתב עליו בתחילת המאה ה-19. אף שהשאלה נראית פשוטה, ושיש לה היסטוריה ארוכה, התשובה עליה קשורה בתובנות ממאה השנים האחרונות על מבנה היקום.
להבין את הפרדוקס
אם תשאלו את האסטרונום האהוב עליכם מתחילת המאה ה-18 מה הוא יכול לספר לכם על מבנה היקום, הוא יגיד לכם שלושה דברים: היקום הוא אינסופי, סטטי והומוגני. למה הוא מתכוון? כשאנחנו אומרים שהיקום אינסופי אנחנו מתכוונים לכך שאין לו קצה והוא נמשך לנצח ולכל עבר. כשאנחנו אומרים שהיקום סטטי, אנחנו מתכוונים לכך שהוא לא משתנה בזמן: מספר הכוכבים ביקום והאופן שבו הם מפוזרים היום אינם שונים מאוד מכפי שהיו בעבר, ומכפי שיהיו בעתיד.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
ציידי הנמרים של מדבר יהודה
ההוביט, או למוצא האדם ובחזרה
קוף, איך קוראים לך?
לבסוף, כשאנחנו אומרים שהיקום הומוגני, אנחנו מתכוונים לכך שהוא נראה בערך אותו דבר בכל מקום: בכל אזור של היקום יש אותם מרכיבים בסיסיים, כמו כוכבים שמרכיבים גלקסיות וצבירי גלקסיות. בנוסף, הכוכבים בכל היקום מורכבים מחומרים דומים. אם נדמה את היקום לקערת סלט, בכל כף שניקח תהיה כמות קצת שונה של ירקות מסוגים שונים, והם יהיו חתוכים בגדלים קצת שונים, אבל בכל כף יהיו בממוצע אותם ירקות חתוכים באותו גודל.
נניח שאנחנו מביטים לשמיים ומסכמים את כל כמות האור שמגיע מהכוכבים שבתחום שדה הראייה שלנו. צורת שדה הראייה שלנו היא חרוטית, כמו קונוס או גביע גלידה, כשאנחנו עומדים בקצה המחודד שלו. כמו שגביע הגלידה מתרחב מהתחתית כלפי מעלה, כך ככל שאנחנו מסתכלים רחוק יותר, השטח שנכנס אל שדה הראייה שלנו גדול יותר. אם הכוכבים מפוזרים ביקום באופן אחיד, ככל שנסתכל רחוק יותר, השטח שמכסה שדה הראייה גדל וכך נראה יותר כוכבים.
3 צפייה בגלריה
שדה הראייה שלנו הולך ומתרחב ככל שהעצם מרוחק יותר מהעין. גבולות שדה הראייה האנושי
(מקור: Codexserafinius, Shutterstock, תרגום: מכון דוידסון)
מצד שני, הכוכבים מאירים לכל הכיוונים, ולכן האור מתפזר ועוצמתו נחלשת. ככל שהכוכבים רחוקים מאיתנו, כך כמות האור שמגיעה אלינו, ושלא "מפספסת" אותנו, קטנה יותר. אם נעשה את החישוב, נגלה ששני הגורמים הללו מבטלים זה את זה, ושכל "שכבה" של שדה הראייה שלנו תורמת אותה כמות של אור. אם נסכם את כמות האור שמגיע ממרחק גדול ככל שנרצה, נגלה שיש כמות אינסופית של אור שאמורה להגיע אלינו. השמיים אמורים להיות בהירים מאוד! למה זה לא המצב?
פרדוקס של הנחות שגויות
הפתרון לפרדוקס של אולברס קשור בהנחות היסוד שלנו על אודות אופי היקום: שהוא אינסופי, סטטי והומוגני. אם נגלה שההנחות שגויות, נוכל לדחות את מסקנותיהן ולמצוא פתרון לפרדוקס. במאה השנים האחרונות הסתבר לאסטרופיזיקאים שכל אחת מההנחות הללו שגויה במידה כלשהי.
נתחיל מההנחה שהיקום סטטי. ב-1929 גילה אדווין האבל (Hubble) שהיקום מתפשט ושככל שגלקסיה רחוקה מאיתנו, כך היא מתרחקת מאיתנו מהר יותר. תגליתו של האבל אפשרה להעריך שהיקום הוא בן כ-13 מיליארד שנים. עם השנים התברר שקצב ההתפשטות של היקום יכול להשתנות, ופרס הנובל בפיזיקה בשנת 2011 הוענק לסול פרלמוטר (Perlmutter), בריאן שמידט (Schmidt) ואדם ריס (Riess) שגילו שקצב ההתפשטות של היקום הולך ומתגבר בימינו. אם כן, היקום איננו סטטי: הוא "נולד" לפני 13 מיליארד שנים ומתפשט לכל הכיוונים מאז.
נעבור להנחה שהיקום אינסופי. מדידות ותצפיות לא הצליחו למצוא ראיה לכך שליקום יש קצה או גבול. לפיכך אפשר להסיק שהיקום שטוח ואינסופי או שהוא עקום וסגור כמו קליפת כדור: אם נתקדם מספיק רחוק בכיוון אחד נמצא את עצמנו בחזרה במקום שממנו יצאנו. מדידות מתקדמות, בין השאר בעזרת טלסקופ האבל, הצליחו להעריך את מידת העקמומיות של היקום ולגלות שהיא קטנה מאוד, ועל כן ההערכה המקובלת כיום היא שהיקום שטוח ואינסופי. אם כן, מדוע אנחנו טוענים שההנחה הזאת שגויה?
היקום אולי אינסופי, אך היקום הנראה, כלומר היקום שממנו אנחנו יכולים לקבל אות פיזיקלי, הוא סופי. מהירות האור היא סופית, והיקום קיים פרק זמן סופי, ולכן לא נוכל לראות כוכבים רחוקים מדי. אפשר היה לחשוב שרדיוס היקום הנראה הוא 13 מיליארד שנות אור – גיל היקום כפול מהירות האור – אך למעשה הוא כ-46.5 מיליארד שנות אור, משום שהיקום מתרחב. אנחנו יכולים לראות אור מכוכבים שכעת הם רחוקים, אך כשהאור רק החל להיפלט מהם הם היו קרובים דיים. ככל שעובר הזמן ומגיע אלינו אור מכוכבים רחוקים יותר, כך רדיוס היקום הנראה גדל.
3 צפייה בגלריה
מראה השמיים בצבעים זוהרים כשמסתכלים בהם דרך טלסקופ רגיש לגלי רדיו. הדמיה של קרינת הרקע הקוסמית
(Declman Hillman, Shutterstock )
לבסוף, נדון בהנחה שלפיה היקום הוא הומוגני. מחקרים מודרניים באסטרופיזיקה טוענים שחוסר הומוגניות ביקום המוקדם הוא זה שהוביל ליצירתם של כוכבים, גלקסיות וצבירי גלקסיות ביקום. פרס נובל בפיזיקה הוענק ב-2006 לפיזיקאים ג'ון מאת'ר (Mather) וג'ורג' סמוט (Smoot) על התגליות שביססו את הטענה הזאת. אף על פי שהיום יש בכל תא נפח ביקום מספר דומה של כוכבים, בממוצע, עדיין יש סיבות לכך שכמות האור מכוכבים רחוקים לא דומה לכמות האור מכוכבים קרובים: ראשית, כפי שציינו קודם, גלקסיות רחוקות מתרחקות מאיתנו בקצב מהיר. ההתרחקות הזאת גורמת לשינוי בין אורך הגל של האור שנפלט מהעצם שאנחנו מביטים עליו לבין אורך הגל שיגיע אלינו - תופעה המכונה אפקט דופלר. כתוצאה מכך, האור שנפלט מכוכבים רחוקים נראה לנו כמו אור תת-אדום או קרינת מיקרוגל - סוגי קרינה שאנחנו לא יכולים לראות בעין.
שנית, מהירות האור היא סופית ולכן האור שמגיע אלינו מכוכבים רחוקים נפלט מזמן. אם נביט על כוכב שנמצא במרחק שנת אור אחת מאיתנו, נראה אותו כפי שהיה לפני שנה. אם נביט על כוכבים מאוד רחוקים – במרחק מיליארדי שנות אור, למשל – נראה אותם כשהיו כוכבים צעירים מאוד, בתקופה שבה הם פלטו פחות אור.
זה הפתרון לפרדוקס של אולברס: היקום הוא לא בדיוק אינסופי, לא בדיוק סטטי ולא בדיוק הומוגני. כל העובדות הללו גורמות לכך שהאור שמגיע מכוכבים רחוקים הוא מועט יותר וחלש יותר מאשר האור שמגיע מכוכבים קרובים. משמעות הדבר היא שאין כמות אינסופית של אור שמגיעה עד אלינו, והשמיים, כפי שאפשר לראות כל לילה, הם חשוכים.
