'היקום במראה' (ארה'ב, 2008): קטע ספרים

טלסקופ החלל האבל במסלול

טלסקופ החלל האבל, המוצג כאן במסלול, שינה את האופן שבו בני האדם רואים את היקום. (אשראי תמונה: STS-82 Crew/STScI/NASA)



כותב המדע רוברט צימרמן הוא מחברו של ' היקום במראה: סיפורו של טלסקופ החלל האבל והחזנים שבנו אותו '(2008, הוצאת אוניברסיטת פרינסטון). הספר מתאר את המאבק הרב -עשרתי להכנסת האבל לחלל, האנשים שנאבקו להשאיר אותו בחיים (לעתים קרובות על חשבון הקריירה שלהם וחייהם האישיים), והמדע המדהים שהפיק.



צימרמן הוא גם מחברם של שלושה ספרים נוספים העוסקים במדעי החלל וחקרם, כולל ' בראשית: סיפורה של אפולו 8: הטיסה המאוישת הראשונה לעולם אחר . '

להלן קטע מתוך 'היקום במראה':



כאשר האסטרונום ג'ון הרשל סיים את סקר השמים בשנות ה -40 של המאה ה -40, הוא קיטלג אלפי אובייקטים יפים אך מעורפלים הפזורים בכל רחבי השמים בין כוכבים אין ספור. שונה מערפיליות כוכבי הלכת, שלרוב יש להן מבנים מובחנים המקיפים כוכבים ספציפיים ובאופן כללי מקובצים לאורך מישור שביל החלב, ה'ערפיליות הלא -לגלקטיות 'הללו נראו בדרך כלל כדורי כדורגל, ספירלות או מערבולות. במשך מאה השנים הבאות תמה אסטרונומים על מוצאם. לא רק שאף אחד לא ידע מה הם, אף אחד אפילו לא היה בטוח אם הם אובייקטים מקומיים בתוך הגלקסיה שלנו או יקומי אי רחוקים הדומים לשביל החלב. [ טלסקופ החלל האבל בשעה 25: יום השנה לצילום ]

'היקום במראה' מאת רוברט צימרמן מתאר את ההיסטוריה הארוכה של האבל והאנשים שהפכו אותו למציאות.(אשראי תמונה: הוצאת אוניברסיטת פרינסטון/רוברט צימרמן)



בשנות העשרים סוף סוף היה לאסטרונום האמריקאי אדווין האבל כלי לגלות זאת. באמצעות טלסקופ הוקר 100 אינץ 'בהר וילסון, קליפורניה בשנת 1924, הוא הצליח לפתור מספר רב של כוכבים בודדים בכמה מהערפיליות הלא נלקטיות הגדולות יותר, מה שהוכיח כי הערפול שלהם נגרם על ידי מיליארדי כוכבים, לא אבק או גז. חשוב מכך, בערפילית הגדולה באנדרומדה כשלושה תריסר מהכוכבים הללו היו משתנים, כאשר שתים עשרה היו סוג מיוחד של כוכבים משתנים הנקראים קפאידים. קפאידים ייחודיים בכך שהבהירות הפנימית שלהם, או גודלם המוחלט, קשורים ישירות לאורך הפולציות שלהם. ככל שהם בהירים יותר, כך הם פועלים לאט יותר.

בהתבסס על קצב הדופק של הקפאידים באנדרומדה, אדווין האבל יכול לחשב את הבהירות המוחלטת שלהם, ומכאן המרחק מכדור הארץ, שלפי הערכה הוא כמיליון שנות אור. עד מהרה הוא מצא קפאידים במספר ערפיליות לא-לגלקטיות אחרות, והוכיח כי גם אלה היו במרחק מיליוני שנות אור. למרות שמחקרים מאוחרים יותר חידדו משמעותית את המרחקים המשוערים לגלקסיות אלה, עבודתו של האבל סיפקה הוכחה שהיקום היה מלא באין ספור אוספים של כוכבים גדולים, אם לא גדולים יותר מהגלקסיה הביתית שלנו, שביל החלב.

תמונה זו, שצולמה על ידי טלסקופ החלל האבל, מציגה את כוכב המשתנה Cepheid RS Puppis, המתבהר באופן קצבי ומתעמעם לאורך מחזור של שישה שבועות.



תמונה זו, שצולמה על ידי טלסקופ החלל האבל, מציגה את כוכב המשתנה Cepheid RS Puppis, המתבהר באופן קצבי ומתעמעם לאורך מחזור של שישה שבועות.(אשראי תמונה: נאס'א, ESA וצוות מורשת האבל (STScI/AURA)) שיתוף פעולה בין האבל/אירופה; הכרה: ה. בונד (STScI ופנסיה סטנסיל)

אולם זה לא היה הכל. אפילו כאשר אדווין האבל גילה את התגלית הזו, הוא הבחין בתופעה מוזרה. ככל שגלקסיה הייתה רחוקה יותר, כך נראה שגלקסיה זו עפה מהר יותר משביל החלב.

האבל גילה את התופעה הזו וציין את ' הזזה אדומה 'של האור המגיע מגלקסיות רחוקות אלה ואחרות, כפי שנוספו על ידי אסטרונומים אחרים. אם גלקסיה או כוכב מתקרבים לכדור הארץ, אורכי הגל של האור שהוא פולט ייסחטו יחד על ידי תנועה זו, ותקצר אותם ובכך יסיטו את צבע האור לקצה הכחול של הספקטרום. ואם הכוכב במקום מתרחק מכדור הארץ, תנועה זו תמתח את גלי האור, כך שצבעו יזוז לכיוון הקצה האדום או הארוך יותר של הספקטרום. מכיוון שמדענים יודעים את אורך הגל המדויק שבו יסודות מייצרים קווים בספקטרום של כוכב, אם הם רואים שינוי של קווים אלה לכחול או לאדום, הם יודעים שהכוכב נע ובאיזה כיוון. כמות המשמרת גם תגיד להם את מהירות התנועה.

גלה כיצד האבל נשאר בחוד החנית של האסטרונומיה בחלל העמוק במשך 20 השנים האחרונות כאן. [ראה אינפוגרפיקת טלסקופ החלל האבל המלא כאן.]

גלה כיצד האבל נשאר בחוד החנית של האסטרונומיה בחלל העמוק במשך 20 השנים האחרונות כאן. [ראה אינפוגרפיקת טלסקופ החלל האבל המלא כאן. ](אשראי תמונה: קארל טייט, אמן האינפוגרפיקה של demokratija.eu)

האבל גילה שהספקטרום של כמעט כל גלקסיה הועבר לאדום. חשוב מכך, ככל שהמרחק גדול יותר, כך הזזה האדומה גדולה יותר. במילים אחרות, היקום התרחב.

מדענים הבינו מיד שהתרחבות זו אינה בעצם תנועה. שביל החלב אינו מרכז היקום, כשכל הגלקסיות האחרות בורחות מאיתנו באימה. במקום זאת, החלל שבו הכל קיים נמתח.

האנלוגיה הטובה והנפוצה ביותר לתאר תופעה זו היא של בלון. לפוצץ את הבלון בערך באמצע הדרך. לאחר מכן, קח סמן לבד והנח נקודות על פני הבלון, במרחקן של סנטימטר אחד מהן. עכשיו לשאוב יותר אוויר לתוך הבלון. בזמן שתעשה זאת הנקודות יתרחקו זו מזו, כך שכאשר גודל הבלון יוכפל המרווח בין כל הנקודות הסמוכות יכפיל את עצמו, עובר מאינץ 'לשניים, עם נקודות שהתחילו במרחק של שני סנטימטר זה מזה ארבעה סנטימטרים ונקודות ארבעה סנטימטרים זה מזה מופרדים בשמונה סנטימטרים. במילים אחרות, המרחקים גדלים באופן לינארי.

אם תמקד את העין בנקודה אחת כשהבלון גדל בגודלו, הוא יראה כאילו הוא נמצא במרכז הרחבה וכל הנקודות האחרות בורחות ממנו. חזור על ניסוי זה אך התמקד בנקודה אחרת והוא נראה במרכז.

באופן משמעותי יותר, שים לב שאף אחת מהנקודות לא זזה באמת. במקום זאת , ה'מרחב 'שבו הם מוטמעים הולך ומתרחב , ומרחיקים אותם זה מזה כשהם גדלים. באופן דומה, הגלקסיות בחלל לא באמת בורחות זו מזו. במקום זאת, המרחב עצמו, מרקם היקום שבו הם שוכנים, הוא המתרחב. על ידי חיטוב ההתרחבות הזו מדענים לאחור מצאו כי נראה כי ליקום יש התחלה קטלנית, מה שתייג האסטרונום פרד הויל בזלזול כמפץ הגדול.

קביעת קצב ההתרחבות תעזור למדענים לחשב כמה זמן קרה המפץ הגדול. עם זאת, בעשורים שלאחר עבודתו הראשונית של אדווין האבל התקשו האסטרונומים למצוא מספר מדויק. לטלסקופים קרקעיים לא הייתה הרזולוציה לראות קפאידים ביותר ממחצית גלקסיות, במרחק של לא יותר ממאה או מאתיים מיליון שנות אור. כלים אחרים למדידת מרחק, כגון בהירות הגלקסיות, פשוט לא היו אמינים או מדויקים מספיק. כתוצאה מכך, אומדני גיל היקום בסוף שנות השמונים ותחילת שנות התשעים נעו בין 12 ל -20 מיליארד שנים. למדוד באופן מדויק יותר את קצב ההתרחבות, שאסטרונומים כינו אותו קבוע האבל לכבודו אדווין האבל , דרשה עלייה משמעותית ברזולוציה, שתאפשר מדידות של קפאידים בגלקסיות רחוקות בהרבה.

במילים אחרות, מדידת הגיל המדויק של היקום דרשה טלסקופ מעל האטמוספירה. כשהוא שוגר, אחת המשימות העיקריות של טלסקופ החלל האבל הייתה לענות על שאלה זו. למעשה, זו הייתה הסיבה העיקרית שהאסטרונומים התנגדו לכווץ את מראה הטלסקופ מתחת ל -2.4 מטרים. קטן יותר מזה וטלסקופ החלל לא היה מסוגל לראות את קפאידים מספיק רחוק כדי לפתור את הבעיה.

לאחר תיקון טלסקופ החלל, האסטרונומים הצליחו להשתמש בו לזיהוי משתני קפאיד בכמעט שלוש עשרות גלקסיות שונות באשכולות הגלקסיות הרחוקות של מזל בתולה, פורנאקס וליאו, והצליחו לצמצם את טווח ההערכות לקצב ההתפשטות. עד כעשרה אחוזים. מכאן, הם הצליחו להעריך כי המפץ הגדול התרחש לפני כ -13.7 מיליארד שנים, לתת או לקחת כמיליארד וחצי שנים.

אבל זה לא היה הכל. מכל התגליות שהגיעו בעזרת טלסקופ החלל האבל, זו שהיא כנראה המשמעותית ביותר היא זו שאף מדען לא ציפה לה: הרחבה זו של היקום נראה מאיץ , בהיקפים עצומים.

לפני אמצע שנות התשעים תהו האסטרונומים האם מסה של היקום מספיקה כדי להאט את ההתפשטות כדי שבסופו של דבר יפסיק לצמוח ויתמוטט אל עצמו. אם כן, היקום ייחשב 'סגור'. אם לא, היקום היה 'פתוח', וההתרחבות תימשך לנצח, עד שהמרחק בין הגלקסיה שלנו וכל שכניה היה כה גדול עד שכבר לא יכולנו לראות אותם. בכל מקרה, האסטרונומים הניחו שההתרחבות מואטת על ידי כוח הכבידה. כשם שכוח הכבידה יגרום להאטת הפסולת מפיצוץ כשהיא מתעופפת, מסת הגלקסיות מפעילה כוח על ההתרחבות וגורמת להאטה גם כן.

באמצע שנות התשעים שני צוותים שונים של אסטרונומים, צוות החיפושים ב- High-z סופרנובה, בראשות בריאן שמידט ממצפה הכוכבים באביב אוסטרליה, ופרויקט קוסמולוגיה סופרנובה, בהובלתו של שאול פרלמוטר מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי בקליפורניה, השתמש במספר טלסקופים קרקעיים כמו גם באבל כדי לחפש כמה שיותר סופרנובות מסוג Ia רחוקות. מכיוון שניתן לקבוע את הבהירות הפנימית של סופרנובות אלה, אסטרונומים יכולים להעריך את מרחקם בדיוק סביר, בהתאם לבהירותם לכאורה.

סופרנובה SN 2014J נראית (מובנית) בתמונה זו של טלסקופ החלל האבל שצולמה ב -31 בינואר 2014. הסופרנובה, שהתגלתה ב -21 בינואר, נמצאת בגלקסיה M82 במרחק של כ -11.5 מיליון שנות אור מכדור הארץ. מדענים משתמשים בסופרנובה כדי ללמוד עוד על איך גמדים לבנים יכולים לעורר פיצוצים של כוכבים כה קטסטרופליים.

סופרנובה SN 2014J נראית (מובנית) בתמונה זו של טלסקופ החלל האבל שצולמה ב -31 בינואר 2014. הסופרנובה, שהתגלתה ב -21 בינואר, נמצאת בגלקסיה M82 במרחק של כ -11.5 מיליון שנות אור מכדור הארץ. מדענים משתמשים בסופרנובה כדי ללמוד עוד על איך גמדים לבנים יכולים לעורר פיצוצים של כוכבים כה קטסטרופליים.(אשראי תמונה: NASA, ESA, A. Goobar (אוניברסיטת שטוקהולם) וצוות מורשת האבל (STScI/AURA))

לתדהמת המדענים משתי הקבוצות, במרחקים גדולים יותר היו הסופרנובות עמומות מהצפוי, ב -25 אחוזים, כלומר שהן היו רחוקות מהצפוי ורומזות כי במהלך חמשת מיליארד השנים האחרונות קצב ההתרחבות דווקא גדל. זה היה כאילו המשאבה שמכריחה אוויר לתוך הבלון החלה לפעול מהר יותר כשהבלון גדל.

כאשר זמן קצר לאחר הגילוי הזה שאלתי את מריו ליביו, מדען במכון למדעי טלסקופ החלל, את מחשבותיו בנושא, הוא לא יכול היה לשים לב לתדהמתו. 'התופעה הזו הייתה בדיוק ההפך ממה שהיינו מצפים'. [איך טלסקופ החלל האבל שינה את מבטנו על הקוסמוס]

כתוצאה מכך, האסטרונומים ייחסו את ההאצה למשהו שסומן כ'אנרגיה אפלה '(בכך שעדיין אין להם מושג מה זה), והעריכו שהוא פועל איכשהו כדי להדוף את השפעת הכבידה על מרחקים גדולים. יתר על כן, מדענים חושבים שאנרגיה אפלה מסתורית זו מהווה כמעט שני שלישים מהיקום.

והכי מדהים מכל, איינשטיין עצמו ניבא ודחה את קיומו. בשנת 1917 הכניס למשוואותיו משהו שהוא כינה את הקבוע הקוסמולוגי על מנת לגרום למשוואות אלה לתאר יקום סטטי. כשאדווין האבל הראה מאוחר יותר שהיקום אינו סטטי אלא מתרחב, ויתר איינשטיין על הקבוע הזה, ובסופו של דבר כינה אותו 'הטעות הגדולה ביותר שלו', לדברי הפיזיקאי ג'ורג 'גמוב. שמונה עשורים לאחר מכן, נתונים מטלסקופ החלל האבל הוכיחו שאיינשטיין אכן צדק, ונדרשת וריאציה של הקבוע הקוסמולוגי שלו כדי לגרום למשוואות שלו לפעול.

שוב היקום הפתיע אותנו. כמו הביולוג המתמטי J.B.S. פעם כתב הלדאן, 'היקום הוא לא רק מוזר יותר משאנחנו מניחים, אלא מוזר ממה שאנו יכולים להניח'.

קנה 'היקום במראה' מאת רוברט צימרמן ב -19.95 $ >>>

עקוב אחרינו @Spacedotcom , פייסבוק ו Google+ .