המפץ הגדול: מה באמת קרה בלידת היקום שלנו?

כאן מוצג טלסקופ החלל האבל

כאן מוצגת תמונת טלסקופ החלל האבל של גלקסיה מועמדת שהתקיימה 480 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול (הגלקסיה z ~ 10) והמיקום בשדה האולטרה עמוק האבל (HUDF) שבו היא נמצאה. הגלקסיה נחשבת לאחת הוותיקות והרחוקות ביותר שראה האבל. שדה זה - הנקרא HUDF09 - הוא תמונת האינפרא אדום העמוקה ביותר שצולמה ביקום. (אשראי תמונה: נאס'א, ESA, גארת 'אילינגוורת' (אוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז) וריצ'ארד בוואנס (אוניברסיטת קליפורניה, אוניברסיטת סנטה קרוז ואוניברסיטת ליידן) וצוות HUDF09).

לקח לא מעט יותר משבעה ימים ליצור את היקום כפי שאנו מכירים אותו כיום. demokratija.eu מסתכל על תעלומות השמים בסדרה בת שמונה חלקים: ההיסטוריה והעתיד של הקוסמוס. זהו חלק 5 בסדרה ההיא.

היקום שלנו נולד לפני כ -13.7 מיליארד שנים בהתרחבות מאסיבית שפוצצה חלל כמו בלון ענק.

זאת, בקצרה, תיאוריית המפץ הגדול, שלמעשה כל הקוסמולוגים והפיזיקאים התיאורטיים תומכים בהם. הראיות התומכות ברעיון הן נרחבות ומשכנעות. אנו יודעים, למשל, שהיקום עדיין מתרחב אפילו עכשיו, בקצב מואץ.

מדענים גילו גם חותם תרמי צפוי של המפץ הגדול, קרינת רקע מיקרוגל קוסמית החודרת ביקום. ואנחנו לא רואים אובייקטים מבוגרים יותר מ -13.7 מיליארד שנים, דבר המצביע על כך היקום שלנו נוצר בערך באותה תקופה.

'כל הדברים האלה הניחו את המפץ הגדול על בסיס איתן ביותר', אמר האסטרופיזיקאי אלכס פיליפנקו מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי. 'המפץ הגדול הוא תיאוריה מוצלחת ביותר'.

אז מה התיאוריה הזו מלמדת אותנו? מה באמת קרה עם לידת היקום שלנו, וכיצד הוא קיבל את הצורה שאנו צופים בה כיום? [ סיור אינפוגרפי: היסטוריה ומבנה היקום ]

גרפיקה זו מציגה ציר זמן של היקום המבוסס על תיאוריית המפץ הגדול ומודלים של אינפלציה.

גרפיקה זו מציגה ציר זמן של היקום המבוסס על תיאוריית המפץ הגדול ומודלים של אינפלציה.(אשראי תמונה: NASA/WMAP)

ההתחלה

התאוריה המסורתית של המפץ הגדול מניחה שהיקום שלנו התחיל בייחודיות - נקודה של צפיפות וטמפרטורה אינסופיים שאת המוח שלנו קשה לתפוס. עם זאת, ייתכן שהדבר אינו משקף במציאות את המציאות, אומרים החוקרים, מכיוון שרעיון הייחודיות מבוסס על תורת היחסות הכללית של איינשטיין.

'הבעיה היא שאין שום סיבה להאמין לתורת היחסות הכללית במשטר הזה,' אמר שון קרול, פיזיקאי תיאורטי ב- Caltech. ״זה הולך להיות שגוי, כי זה לא לוקח בחשבון את מכניקת הקוונטים. ומכניקת הקוונטים בהחלט תהיה חשובה ברגע שתגיע למקום ההיסטורי של היקום. '

אז תחילת היקום נשארת עכורה למדי. מדענים חושבים שהם יכולים להעלות את הסיפור בערך מ -10 עד למינוס 36 שניות - טריליון טריליון של טריליון שנייה - אחרי המפץ הגדול.

בשלב זה, הם מאמינים, עבר היקום תקופה קצרה ודרמטית ביותר של אינפלציה, שהתרחבה מהר יותר ממהירות האור. גודלו הכפיל את עצמו פי 100 או יותר, והכל בטווח של כמה שברירים זעירים של שנייה. [ המפץ הגדול עד כה ב -10 שלבים פשוטים ]

(נראה כי האינפלציה מפרה את תורת היחסות המיוחדת, אך זה לא המקרה, אומרים מדענים. תורת היחסות המיוחדת גורסת כי לא ניתן לשאת מידע או חומר בין שתי נקודות בחלל מהר יותר ממהירות האור. אך האינפלציה הייתה הרחבה של החלל עצמו.)

'האינפלציה הייתה' המפץ 'של המפץ הגדול,' אמר פיליפנקו ל- demokratija.eu 'לפני האינפלציה, היו רק מעט דברים, וייתכן שהם התרחבו מעט. היינו צריכים משהו כמו אינפלציה כדי להפוך את היקום לגדול״.

היקום ההולך ומתרחב במהירות היה די ריק מחומר, אך הוא טמן כמויות עצומות של אנרגיה אפלה, כך אומרת התיאוריה. אנרגיה אפלה היא הכוח המסתורי שלדעת המדענים מניע את התפשטותו המואצת הנוכחית של היקום.

במהלך האינפלציה, אנרגיה אפלה גרמה ליקום להחליק ולהאיץ. אבל זה לא נמשך זמן רב.

'זו הייתה רק אנרגיה אפלה זמנית', אמר קרול ל- demokratija.eu. ״זה הפך לחומר רגיל ולקרינה באמצעות תהליך שנקרא חימום מחדש. היקום עבר מלהיות קר במהלך האינפלציה לחום חוזר כאשר כל האנרגיה האפלה נעלמה״.

מדענים אינם יודעים מה עשוי לעורר אינפלציה. זו נשארת אחת השאלות המרכזיות בקוסמולוגיה של המפץ הגדול, אמר פיליפנקו.

אשכול הגלקסיות Abell 1689 מפורסם בזכות האופן שבו הוא מכופף אור בתופעה הנקראת עדשה כבידה. מחקר האשכול חשף סודות כיצד האנרגיה האפלה מעצבת את היקום.

אשכול הגלקסיות Abell 1689 מפורסם בזכות האופן שבו הוא מכופף אור בתופעה הנקראת עדשה כבידה. מחקר האשכול חשף סודות כיצד האנרגיה האפלה מעצבת את היקום.(אשראי תמונה: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) ו- J-P. Kneib (LAM))

רעיון אחר

רוב הקוסמולוגים רואים באינפלציה את התיאוריה המובילה להסברת מאפייני היקום - במיוחד מדוע היא שטוחה והומוגנית יחסית, עם כמות זהה של הדברים הפרוסה באופן שווה לכל הכיוונים.

קווי ראיות שונים מצביעים על כך שהאינפלציה היא מציאות, אמר הפיזיקאי התיאורטי אנדי אלברכט מאוניברסיטת קליפורניה, דייויס. [תמונות: מציץ חזרה למפץ הגדול]

'כולם מסתדרים יפה עם התמונה האינפלציונית,' אמר אלברכט, אחד האדריכלים של תורת האינפלציה. 'האינפלציה עשתה טוב להפליא.'

עם זאת, אינפלציה אינה הרעיון היחיד בחוץ שמנסה להסביר את מבנה היקום. תיאורטיקנים מצאו עוד אחד, שנקרא המודל המחזורי, המבוסס על מושג קודם שנקרא היקום האקפירוטי.

רעיון זה גורס שהיקום שלנו לא יצא מנקודה אחת, או משהו דומה לזה. במקום זאת, היא 'קפצה' להתרחבות-בקצב הרבה יותר רגוע ממה שתאוריית האינפלציה צופה-מיקום קיים שכבר התכווץ. אם התיאוריה הזו נכונה, סביר שהיקום שלנו עבר רצף אינסופי של 'פוני' ו'קרעים '.

'תחילת היקום שלנו הייתה נחמדה וסופית', אמר ברט אוברות מאוניברסיטת פנסילבניה, ממייסדי התיאוריה האקפירוטית.

המודל המחזורי מניח שהיקום שלנו מורכב מ -11 ממדים, רק ארבעה מהם אנו יכולים להתבונן (שלושה של חלל ואחד של זמן). החלק הארבע-ממדי שלנו ביקום נקרא סובין (קיצור של ממברנה).

יכול להיות שאורבנים שם כלאנים אחרים בחלל 11 ממדים, כך עולה מהרעיון. התנגשות בין שני ממנים יכולה הייתה לזעזע את היקום מכיווץ להתרחבות, ולדרבן את המפץ הגדול שאנו רואים עדויות כיום.

מחפש גלי כבידה

בקרוב, מדענים עשויים לדעת בוודאות איזו תיאוריה - אינפלציה או המודל המחזורי - היא ייצוג טוב יותר של המציאות.

לדוגמה, האינפלציה עשויה לייצר גלי כבידה חזקים בהרבה מאשר 'הקפצה אקפירוטית', אמר פיליפנקו. אז חוקרים מחפשים כל סימן לעיוותים תיאורטיים אלה של זמן החלל, שטרם נצפו.

הלוויין Planck של סוכנות החלל האירופית, ששוגר בשנת 2009, עשוי למצוא את גלי הכבידה החמקמקים. הוא עשוי גם לאסוף ראיות אחרות שיכולות להטות את הכף בכל מקרה, אמר עוברות.

'אלה דברים שבעוד 10 השנים הקרובות יידונו ובתקווה יוחלטו', אמר עוברות ל- demokratija.eu.

היקום שאנו מכירים מקבל צורה

הקוסמולוגים חושדים שארבעת הכוחות השולטים ביקום - כוח הכבידה, האלקטרומגנטיות והכוחות הגרעיניים החלשים והחזקים - אוחדו לכוח אחד בעת לידת היקום, נמעכו זה לזה בגלל הטמפרטורות והצפיפות הקיצוניות הכרוכות בכך.

אבל דברים השתנו כשהיקום התרחב והתקרר. בערך בזמן האינפלציה, ככל הנראה הכוח החזק נפרד. וכ -10 טריליון שניות אחרי המפץ הגדול , גם הכוחות האלקטרומגנטיים והחלשים התבדלו.

רק לאחר האינפלציה, היקום כנראה התמלא בפלזמה חמה וצפופה. בסביבות 1 מיקרו -שנייה (10 עד מינוס 6 שניות) בערך, הוא התקרר מספיק כדי לאפשר לפרוטונים ולניוטרונים הראשונים להיווצר, חושבים החוקרים.

בשלוש הדקות הראשונות לאחר המפץ הגדול, הפרוטונים והניוטרונים הללו החלו להתמזג יחד ויצרו דוטריום (הידוע גם בשם מימן כבד). אטומי דאוטריום הצטרפו זה לזה ויצרו הליום -4.

דימוי כל השמים הזה של רקע המיקרוגל הקוסמי, שנוצר על ידי סוכנות החלל האירופית

דימוי השמים הזה של רקע המיקרוגל הקוסמי, שנוצר על ידי לוויין הפלאנק של סוכנות החלל האירופית, מראה הדים של המפץ הגדול שנותר משחר היקום.(אשראי תמונה: ESA/ LFI & HFI Consortia)

רקומבינציה: היקום הופך לשקוף

האטומים החדשים שנוצרו כולם היו טעונים חיובית, כיוון שהיקום עדיין היה חם מדי מכדי לטובת לכידת אלקטרונים.

אבל זה השתנה כ -380,000 שנים אחרי המפץ הגדול. בתקופה המכונה רקומבינציה, יוני ומימן והליום החלו לחטוף אלקטרונים ויצרו אטומים ניטרליים מבחינה חשמלית. אור מפזר באופן משמעותי את האלקטרונים והפרוטונים החופשיים, אך הרבה פחות מזה אטומים ניטרליים. אז פוטונים היו כעת הרבה יותר חופשיים לשוט ביקום.

רקומבינציה שינתה באופן דרמטי את מראה היקום; זה היה ערפל אטום, ועכשיו הוא הפך לשקוף. קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל שאנו צופים בה כיום היא מתקופה זו. [ סרטון: ערפל של היקום המוקדם נראה ]

אבל בכל זאת, היקום היה די אפל במשך זמן רב לאחר רקומבינציה מחדש, רק התאיר באמת כשהכוכבים הראשונים החלו לזרוח כ -300 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול. הם סייעו לבטל הרבה ממה שהשיגה רקומבינציה. הכוכבים המוקדמים האלה - ואולי כמה מקורות מסתוריים אחרים - זרקו מספיק קרינה כדי לפצל את רוב המימן של היקום בחזרה לפרוטונים והאלקטרונים המרכיבים אותו.

נראה כי תהליך זה, המכונה יוניוניזציה מחודשת, עבר את דרכו בכמיליארד שנה לאחר המפץ הגדול. היקום אינו אטום כיום, כפי שהיה לפני השילוב מחדש, מכיוון שהוא התרחב כל כך. החומר של היקום הוא מאוד דליל, ולכן אינטראקציות לפיזור פוטונים הן נדירות יחסית, אומרים מדענים.

עם הזמן, הכוכבים נמשכו יחד ויצרו גלקסיות, מה שהוביל ליותר ויותר מבנה בקנה מידה גדול ביקום. כוכבי לכת התלכדו סביב כמה כוכבים שזה עתה נוצרו, כולל השמש שלנו. ולפני 3.8 מיליארד שנים, החיים השתרשו על כדור הארץ.

פרוטוקולוס מרוחק במיוחד זה מייצג קבוצת גלקסיות הנוצרות מוקדם מאוד ביקום, כמיליארד שנה בלבד לאחר המפץ הגדול.

פרוטוקולוס מרוחק במיוחד זה מייצג קבוצת גלקסיות הנוצרות מוקדם מאוד ביקום, כמיליארד שנה בלבד לאחר המפץ הגדול.(אשראי תמונה: סובארו/ פ. קאפק (SSC/ קאלטק))

לפני המפץ הגדול?

בעוד שרבים מהרגעים הראשונים של היקום נותרו ספקולטיביים, השאלה מה שקדם למפץ הגדול עוד יותר מסתורית וקשה להתמודד.

בתור התחלה, השאלה עצמה עשויה להיות לא הגיונית. אם היקום הגיע מכלום, כפי שחלק מהתיאורטיקנים מאמינים, המפץ הגדול מסמן את הרגע בו התחיל הזמן עצמו. במקרה כזה, לא יהיה דבר כזה 'לפני', אמר קרול.

אבל כמה תפיסות של לידת היקום יכולות להציע תשובות אפשריות. המודל המחזורי, למשל, מציע כי יקום מתכווץ קדם לקיומו המתרחב. גם קרול יכול לדמיין משהו קיים לפני המפץ הגדול.

'זה יכול להיות רק שטח ריק שהיה לפני המפץ הגדול שלנו, ואז תנודות קוונטיות הולידו יקום כמו שלנו', אמר. 'אתה יכול לדמיין בועה קטנה של חלל מתהדקת בתנודות ומתמלאת בכף קטנה של אנרגיה, שיכולה לצמוח לתוך היקום שאנו רואים באמצעות אינפלציה.'

פיליפנקו גם חושד שמשהו בסגנון זה עשוי להיות נכון.

'אני חושב שהזמן ביקום שלנו התחיל במפץ הגדול, אבל אני חושב שהיינו תנודה מקודם, יקום אם', אמר פיליפנקו.

האם אי פעם נדע?

קוסמולוגים ופיזיקאים עובדים קשה על מנת לחדד את התיאוריות שלהם ולהביא את הרגעים המוקדמים ביותר של היקום למיקוד חד וחד יותר. אבל האם הם באמת יידעו מה קרה במפץ הגדול?

זהו אתגר מרתיע, במיוחד מכיוון שחוקרים עובדים על הסרה של 13.7 מיליארד שנה. אבל אל תספור את המדע, אמר קרול. אחרי הכל, לפני 100 שנה, אנשים הבינו מעט מאוד על היקום. לא ידענו על תורת היחסות הכללית, למשל, או מכניקת הקוונטים. לא ידענו שהיקום מתרחב, ולא ידענו על המפץ הגדול.

'אנחנו יודעים את כל הדברים האלה עכשיו,' אמר קרול. 'קצב ההתקדמות הוא למעשה מהיר להפליא, כך שלעולם לא הייתי נכנע לפסימיות. אין שום סיבה בהיסטוריה האחרונה של הקוסמולוגיה והפיזיקה להיות פסימית לגבי הסיכויים שלנו להבנת המפץ הגדול״.

אלברכט הביע אופטימיות דומה ואמר שאולי יום אחד אפילו נבין מה קיים, אם בכלל, לפני המפץ הגדול.

'אני מבסס את תקוותי בכך שהקוסמולוגיה הצליחה כל כך', אמר ל- demokratija.eu. 'נראה שהטבע שלח לנו מסר ברור שאנו באמת יכולים לעשות מדע עם היקום.'

אתה יכול לעקוב אחר הסופר הבכיר demokratija.eu מייק וול בטוויטר: @michaeldwall . עקוב אחר demokratija.eu לקבלת העדכונים האחרונים במדעי החלל וחדשות חקר בטוויטר @Spacedotcom וכן הלאה פייסבוק .