מהי אנרגיה אפלה?

כשאנחנו מסתכלים סביבנו, אנו רואים חומר ואנרגיה שהמדע מכיר ויודע להסביר. אך כשמסתכלים על היקום בקנה מידה גדול באמת, התמונה משתנה לחלוטין. כדי לגשר בין תמונת היקום כפי שאנו רואים אותה לבין חוקי הפיזיקה כפי שאנו מבינים אותם, עלינו להניח שיש ביקום גורם שאיננו יודעים לזהות או לאפיין, אך אנו רואים את השפעתו על התנהגות היקום.

הכול מתחיל בצפיפות. בבואנו לתאר את היקום, אנחנו מניחים שהוא הומוגני, כלומר אחיד בכל המרחב ושום נקודה בו אינה מיוחדת או שונה מהאחרות, ושהוא איזוטרופי, כלומר נראה אותו דבר בכל כיוון שאליו נסתכל ושום כיוון אינו שונה מהאחרים. קשה לתאר את היקום בלי ההנחות הללו, ותצפיות בקנה מידה גדול מאששות אותן. כדי שההנחות האלה תהיינה נכונות, חייבים להיות פתרונות מצורה מאוד מסוימת למשוואות הבסיס של תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, שמתארות את יחסי הגומלין בין חומר, אנרגיה והמרחב עצמו.

הפתרונות הללו מכונים משוואות פרידמן, על שם המתמטיקאי אלכסנדר פרידמן שחישב אותן. וכשמוסיפים להם את ההנחה שהיקום שלנו שטוח ולא עקום, שגם לה יש תצפיות רבות שמאששות אותה, מקבלים ביטוי לצפיפות הכללית של היקום – הצפיפות של כל החומר והאנרגיה שיש בו, המכונה "הצפיפות הקריטית".

אבל יש בעיה. כשמשלבים את כל החומר שאנחנו מסוגלים לראות, עם הערכות על חומר ואנרגיה מוכרים אחרים, כגון פרוטונים, נייטרונים ופוטונים, אנו מגיעים לערך ששווה בסך הכול לכחמישה אחוזים מהצפיפות הקריטית. כך אנחנו נותרים עם יקום שאיננו יודעים להסביר קרוב ל-95 אחוזים ממנו. כ-25 אחוזים מתוכם אפשר להסביר על ידי חומר אפל – חומר שאינו מקיים יחסי גומלין עם אור, ולכן איננו יכולים לראות אותו, אך ביכולתנו להסיק את קיומו. עדיין אנו נותרים עם סימן שאלה גדול סביב מרבית החומר והאנרגיה ביקום!

אי אפשר לראות חומר אפל אך ביכולתנו להסיק את קיומו. גלקסייה וחומר אפל סביבה | Mark Garlick / Science Photo Library

למלא את החלל

כאן נכנסת לתמונה האנרגיה האפלה. בדומה לחומר האפל, מדובר יותר במתן שם לבעיה מאשר בפתרון מבוסס ומנומק. אין לנו אפשרות למדוד אותה ישירות, וקיומה הוצע כדי למלא את החלל שמפריד בתיאוריות שיש לנו בין כמות החומר הנדרשת כדי להגיע לצפיפות הקריטית שחישבנו לבין החומר והאנרגיה שאנו רואים בפועל. הראיות לקיומה עקיפות אפילו יותר מהראיות לקיום החומר האפל, ומגיעות מהשלבים המוקדמים ביותר בהתפתחות היקום.

המחשבות הראשונות על קיומה של האנרגיה האפלה נולדו בעקבות תצפיות מדויקות על המהירות שבה מתרחקות מאיתנו גלקסיות רחוקות לעומת מהירותן הפחותה של גלקסיות קרובות יותר. עוד קודם לכן כבר היה ידוע שהיקום מתפשט, והמשוואות הקיימות הסבירו את זה היטב, אך התצפיות הללו הראו שהתפשטות היקום מאיצה, כלומר משהו גורם לו להתפשט במהירות גוברת והולכת. אחד ההסברים להאצה הזאת הוא קיומה של אנרגיה שמפוזרת בצורה אחידה בכל המרחב ומפעילה כוח דוחה על סביבתה.

הרעיון החל לצבור פופולריות כשסקירות של קרינת הרקע הקוסמית גילו שבניגוד לציפיות הקרינה אינה איזוטרופית, כלומר אינה אחידה בכל הכיוונים. בעקבות הגילוי הועלו כמה השערות שניסו להסביר את התופעה, אחת מהן היא קוסמולוגיית ה-ΛCDM. לפי התיאוריה הזאת, שני מרכיבים תיאורטיים מסבירים יחד את מרבית הצפיפות ביקום – חומר אפל קר (Cold Dark Matter, או CDM בקיצור) וקבוע קוסמולוגי (Λ - האות היוונית למדא).

הקבוע הקוסמולוגי הוא תוספת למשוואות היחסות הכללית שהציע במקור איינשטיין עצמו, אך מסיבה אחרת. איינשטיין חשב שהיקום קבוע ולכן הוסיף למשוואות גורם שיאזן את משיכת הכבידה בין הגלקסיות ויאפשר להן לא לזוז. לאחר מכן, כשהתברר שהיקום מתפשט, לא היה עוד צורך בקבוע ואיינשטיין התייחס אליו כאל טעותו הגדולה ביותר. היום, כשאנו יודעים שקצב התרחבות היקום גדל, הקבוע שב לתפקידו המקורי – כגורם שמתנגד למשיכת הכבידה שפועלת להאט את קצב ההתפשטות. פרשנות סבירה לקיומו של הקבוע ביקום מתרחב היא אנרגיה קבועה ששורה בכל מקום במרחב.

עם ההבנה שהיקום מתפשט לא היה עוד צורך בקבוע הקוסמולוגי שהציע איינשטיין. גלקסיות יושבות על פני בלון מתנפח כאנלוגיה להתפשטות היקום | Julian Baum / Science Photo Library

אנרגיה נסתרת

בשנות ה-80 התגלו סימנים שהעידו כי ברגעי קיומו הראשונים, ממש אחרי המפץ הגדול, היקום התפשט בקצב מואץ במיוחד, שלאחר מכן דעך. התקופה הזאת מכונה כיום "האינפלציה הקוסמית". היו מי שהעלו את ההשערה שהאינפלציה נבעה מכוח דומה לאנרגיה האפלה, אך חישובים הראו כי צפיפות האנרגיה הזאת הייתה צריכה להיות גבוהה בהרבה ממה שאנו מצפים כיום מהאנרגיה האפלה, ולכן הקשר בין הדברים לא ברור.

רעיון האנרגיה האפלה קיבל חיזוק משמעותי בשנת 2003 כשסקר הגלקסיות הגדול 2DFGRS אישר את ההנחה שהוזכרה כאן קודם, והראה שצפיפות החומר הרגיל והאפל ביקום מסתכמת בכ-30 אחוז בלבד מהצפיפות הקריטית. בשלב הזה היו כבר אומדנים טובים למדי של צפיפות האנרגיה המוכרת ביקום, והם הראו שהיא זניחה לעומת צפיפות החומר. 70 אחוזים מהאנרגיה ביקום נותרו בלתי מוסברים – אנרגיה אפלה.

שם נוסף שדבק באנרגיה האפלה הוא "אנרגיית הרִיק". מקור השם הוא בתורת הקוונטים, שם הוא מתאר את האנרגיה המזערית שקיימת בחלל ריק. התכונות של אנרגיית הרִיק מתורת הקוונטים מתאימות לאלו של אנרגיה אפלה הנובעת מקבוע קוסמולוגי, ולכן הקישור ביניהן נראה מתבקש. עם זאת, מחקרים רבים הראו שצפיפות אנרגיית הרִיק קטנה במידה ניכרת מזאת שאמורה להיות לאנרגיה האפלה, כך ששאלת הקשר ביניהן עדיין פתוחה ונחקרת.

הראה שצפיפות החומר הרגיל והאפל ביקום מסתכמת בכ-30 אחוז בלבד מהצפיפות הקריטית. תמונה מסקר הגלקסיות הגדול 2DF | מקור:  Enoch Lau, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license

מסדר זיהוי

אם כן, מהי האנרגיה האפלה? התשובה הפשוטה היא "איננו יודעים". עם זאת, נעשו כמה ניסיונות לגבש השערות תיאורטיות שיסבירו את אופיה.

השערה אחת היא שמדובר בקבוע קוסמולוגי, כלומר רכיב כלשהו במציאות, הנגזר מהמשוואות, שמתנגד לכבידה ויוצר דחייה בין נקודה לנקודה. לפי זה האנרגיה האפלה מפוזרת ביקום באופן אחיד והצפיפות שלה קבועה ובלתי משתנה הן במרחב והן בזמן. לעומת זאת, תיאוריה אחרת מדברת דווקא על שינוי ומתארת את האנרגיה האפלה כשדות דינמיים, כלומר שדות אנרגיה שיכולים להשתנות בזמן ובמרחב.

כיוון תיאורטי נוסף שהוצע מנסה לכרוך יחד שתי תעלומות ולתאר את האנרגיה האפלה והחומר האפל כתופעה אחת. מאחר שהחומר האפל מגיב ישירות עם שאר היקום באמצעות כבידה, והתיאוריה מניחה שהאנרגיה האפלה קשורה אליו, נהוג להתייחס לתיאוריה כ"אנרגיה אפלה מגיבה". ולבסוף, רעיון חדש בשם "צימוד קוסמולוגי", המבוסס על פתרון מסוים של המשוואות, דורש שהמסה של חורים שחורים תגדל ככל שהיקום מתרחב, אבל בלי שיחול שינוי בצפיפות האנרגיה שלהם. מאחר שאותו תיאור נכון גם לאנרגיה האפלה, יש מי שמשערים שזוהי האנרגיה האפלה, או לפחות אחד המרכיבים שלה.

בשל הקושי לקבל מידע על האנרגיה האפלה אפילו בדרכי עקיפין, שאלת המקור, או המקורות, של האנרגיה האפלה עדיין אינה פתורה. עם זאת, הקבוע הקוסמולוגי, בהיותו התיאוריה הפשוטה ביותר שעדיין מסבירה היטב את התצפיות, הוא ההסבר המועדף כיום על רוב הקוסמולוגים.

רעיון "הצימוד הקוסמולוגי" דורש שהמסה של חורים שחורים תגדל ככל שהיקום מתרחב, בלי שיחול שינוי בצפיפות האנרגיה שלהם. חור שחור בגלקסיית שביל החלב | Nazarii_Neshcherenskyi, Shutterstock

הסברים חלופיים

אנרגיה אפלה אינה ההסבר היחיד לתופעות שנצפו, אם כי היא בהחלט ההסבר המועדף על מרבית הקוסמולוגים כיום. הסבר אחר הוא שתמונת היקום שבידינו אינה נכונה ושיש טעות מהותית כלשהי במדידות. אם ההנחות שלנו על הסביבה הקרובה אלינו ביקום אינן נכונות, ובמיוחד אם היא ריקה יותר מהממוצע בשאר חלקי היקום, ייתכן שהמדידות שלנו מוטעות והתפשטות היקום לא מאיצה. במקרה כזה יתבטל הצורך להניח שקיימת אנרגיה אפלה.

תיאוריה חלופית אחרת מדברת על כבידה דינמית: אם הכבידה ברחבי היקום אינה קבועה, גם הצורך באנרגיה אפלה עשוי להשתנות או להתבטל כליל. הוצעו כמה מודלים כאלה, אך רבים מהם נדחו כהסברים חלופיים לאנרגיה האפלה, לאחר שמדידות של גלים כבידתיים שנעשו בשנים האחרונות שללו את תחזיותיהם.

האנרגיה האפלה לא מנבאת טובות לעתיד היקום. עקב ההתפשטות המאיצה, כל הגלקסיות ביקום פרט לקרובות אלינו ביותר, ימשיכו להתרחק במהירות גדלה והולכת. בעתיד הלא מאוד רחוק, במובנים קוסמולוגיים, הן יתרחקו מאיתנו במהירות כה גדולה, שהאור מהן לא יוכל להגיע אלינו יותר. לפי מודלים מסוימים, הכוח שנובע מהאנרגיה האפלה יגבר בסופו של דבר על כל שאר הכוחות ביקום, וכל המבנים, כולל אטומים והחלקיקים המרכיבים אותם, ייקרעו לגזרים והאנרגיה שלהם תתפזר ביקום.
אך אל יאוש! עוד לא נפסלו לגמרי מודלים שחוזים שהשפעת האנרגיה האפלה תפחת בהדרגה, עד שההאצה תיבלם ותתהפך, ובסופו של דבר נגיע לקריסה הגדולה והיקום ייוולד מחדש בצורה מחזורית. במקרה כזה יש למה לחכות!