היקום התברר כשגוי

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

קוסמולוגים מתמודדים עם בעיה מדעית רצינית, המעידה על חוסר השלמות של הידע האנושי על היקום. המורכבות נוגעת לדבר טריוויאלי לכאורה כמו קצב ההתפשטות של היקום. העובדה היא ששיטות שונות מצביעות על משמעויות שונות - ועד כה אף אחד לא יכול להסביר את הפער המוזר.

מסתורין קוסמי

נכון לעכשיו, המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי "Lambda-CDM" (ΛCDM) מתאר בצורה המדויקת ביותר את האבולוציה והמבנה של היקום. לפי מודל זה, ליקום יש קבוע קוסמולוגי חיובי שאינו מאפס (מונח למבדה) הגורם להתפשטות מואצת. בנוסף, ΛCDM מסביר את המבנה הנצפה של ה-CMB (רקע מיקרוגל קוסמי), התפלגות הגלקסיות ביקום, ריבוי מימן ואטומי אור אחרים, ועצם קצב התפשטות הוואקום. עם זאת, סתירה חמורה בשיעור ההתרחבות עשויה להעיד על צורך בשינוי קיצוני במודל.

הפיזיקאית התיאורטית ויויאן פולין מהמרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי והמעבדה ליקום ולחלקיקים במונפלייה טוענת שמשמעות הדבר היא הבאה: משהו חשוב קרה ביקום הצעיר שאנחנו עדיין לא יודעים עליו. אולי זו הייתה תופעה הקשורה לסוג לא ידוע של אנרגיה אפלה או לסוג חדש של חלקיקים תת-אטומיים. אם הדגם ייקח זאת בחשבון, הפער ייעלם.

על סף משבר

אחת הדרכים לקבוע את קצב ההתפשטות של היקום היא לחקור את רקע המיקרוגל - קרינת השרידים שהתעוררה 380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. ניתן להשתמש ב- ΛCDM כדי לגזור את קבוע האבל על ידי מדידת תנודות גדולות ב-CMB. התברר שהוא שווה ל-67, 4 קילומטרים לשנייה עבור כל מגה-פארסק, או כשלושה מיליון שנות אור (במהירות כזו, עצמים מתפצלים זה מזה במרחק מתאים). במקרה זה, השגיאה היא רק 0.5 ק מ לשנייה לכל מגה-פרסק.

אם נקבל בערך אותו ערך בשיטה אחרת, זה יאשר את תקפות המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי. מדענים מדדו את הבהירות הנראית לעין של נרות סטנדרטיים - עצמים שעוצמת הארה שלהם ידועה תמיד. עצמים כאלה הם, למשל, סופרנובות מסוג Ia - ננסים לבנים שאינם יכולים עוד לספוג חומר מכוכבים נלווים גדולים ולהתפוצץ. לפי הבהירות הנראית של נרות סטנדרטיים, אתה יכול לקבוע את המרחק אליהם. במקביל, ניתן למדוד את ההסטה לאדום של סופרנובות, כלומר את ההסטה של אורכי גל של אור לאזור האדום של הספקטרום. ככל שההסטה לאדום גדולה יותר, כך המהירות שבה האובייקט מוסר מהצופה גדולה יותר.

לפיכך, ניתן לקבוע את קצב ההתפשטות של היקום, שבמקרה זה מתברר כשווה ל-74 ק מ לשנייה עבור כל מגה-פארסק. זה לא תואם את הערכים שהושגו מה- ΛCDM. עם זאת, אין זה סביר ששגיאת מדידה יכולה להסביר את הפער.

לפי דיוויד גרוס ממכון קוולי לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, בפיזיקה של חלקיקים, אי התאמה כזו לא תיקרא בעיה, אלא משבר. עם זאת, מספר מדענים לא הסכימו עם הערכה זו. המצב הסתבך בשיטה אחרת, שגם היא מבוססת על חקר היקום המוקדם, כלומר תנודות אקוסטיות בריוניות - תנודות בצפיפות החומר הנראה הממלא את היקום המוקדם.רעידות אלו נגרמות על ידי גלי פלזמה אקוסטיים והן תמיד במידות ידועות, מה שגורם להן להיראות כמו נרות סטנדרטיים. בשילוב עם מדידות אחרות, הם נותנים לקבוע האבל בקנה אחד עם ΛCDM.

מודל חדש

קיימת אפשרות שמדענים עשו טעות בעת השימוש בסופרנובות מסוג Ia. כדי לקבוע את המרחק לאובייקט מרוחק, עליך לבנות סולם מרחק.

המדרגה הראשונה בסולם זה היא הקפאידים - כוכבים משתנים עם יחס מדויק בין תקופת ההארה. ניתן להשתמש בקפאידים כדי לקבוע את המרחק לסופרנובות מסוג Ia הקרובות ביותר. באחד המחקרים, במקום קפאידים, נעשה שימוש בענקים אדומים, שבשלב מסוים של החיים מגיעים לבהירות מירבית - זהה לכל הענקים האדומים.

כתוצאה מכך, התברר שהקבוע של האבל הוא 69.8 קילומטרים לשנייה למגה-פארסק. אין משבר, אומרת וונדי פרידמן מאוניברסיטת שיקגו, אחת ממחברות המאמר.

אבל גם אמירה זו הועמדה בספק. שיתוף הפעולה H0LiCOW מדד את קבוע האבל באמצעות עדשת כבידה, אפקט המתרחש כאשר גוף מסיבי מכופף קרניים מעצם מרוחק מאחוריו. האחרונים יכולים להיות קוואזרים - גרעינים של גלקסיות פעילות הניזונות מחור שחור סופר מסיבי. בשל עדשות כבידה, מספר תמונות של קוואזר אחד יכולות להופיע בבת אחת. על ידי מדידת הבהוב של תמונות אלה, מדענים הסיקו קבוע האבל מעודכן של 73.3 קילומטרים לשנייה למגה-פרסקה. יחד עם זאת, מדענים עד האחרון לא ידעו את התוצאה האפשרית, מה שלא כולל את האפשרות של הונאה.

התוצאה של מדידת קבוע האבל ממאסרים טבעיים שנוצרו כאשר גז מסתובב סביב חור שחור התבררה כ-74 קילומטרים לשנייה למגה-פרסקה. שיטות אחרות העניקו 76.5 ו-73.6 קילומטרים לשנייה למגה-פרסק. בעיות מתעוררות גם במדידת התפלגות החומר ביקום, שכן עדשת כבידה נותנת ערך שונה בהשוואה למדידות של רקע המיקרוגל.

אם יתברר שהפער אינו נובע משגיאות מדידה, אזי תידרש תיאוריה חדשה שתסביר את כל הנתונים הקיימים כיום. פתרון אפשרי אחד הוא לשנות את כמות האנרגיה האפלה הגורמת להתפשטות המואצת של היקום. למרות שרוב המדענים בעד לעשות בלי לעדכן את הפיזיקה, הבעיה נותרה בלתי פתורה.