מחקר סימולציה מקיף במיוחד הרחיב את מגוון הפרמטרים שיכולים להסביר איך בנוי היקום – אך עדיין לא הצליח לפצח חידה קוסמולוגית מטרידה
מאז שהפיזיקה השתחררה מכבלי הפילוסופיה, אי אז בימי ניוטון, שולטת בה התפיסה הרואה בניסוי את הפוסק האחרון. אולם בימינו יש שחקנית דומיננטית נוספת בשדה המחקר – ההדמיה (סימולציה). תפקידה חשוב עד כדי כך שכמעט ואין קיום למחקר המודרני בפיזיקה בלעדי ההדמיות: סביבות וירטואליות סטריליות שנועדו להחליף, להקדים או לאשש את ממצאי הניסויים והתצפיות.
להדמיות יש כוח רב במיוחד בחקר האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה. הוא נובע בין השאר מגודלו העצום של היקום, שבגללו יש דברים שלא ניתן למדוד בקלות, ודברים שלא ניתן למדוד כלל. טלסקופ החלל ג'יימס וב, ששוגר בשלהי 2021, קידם מאוד את יכולותיה של האסטרופיזיקה התצפיתית, אך בתחומים רבים הקושי נותר על כנו, והדמיות הן עדיין כלי חיוני. מערכת חדשה של הדמיות קוסמולוגיות בשם פלמינגו (FLAMINGO – ראשי תיבות של שם ארוך שמשמעותו לא חשובה לענייננו), מבקשת כעת לשפוך אור על שאלת "מתיחוּת S8" – אחת החידות המאתגרות והחמות ביותר בחקר החלל.
להדמיות יש כוח רב במיוחד בחקר האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה. הדמיה של היווצרות היקום | Patrick Landmann / Science Photo Library
מה אנחנו יודעים שאנחנו לא יודעים?
המודלים המובילים בחקר הקוסמולוגיה מסבירים איך נוצר היקום ומה יהיה כנראה סופו. בין ההתחלה לסוף, הדינמיקה הקוסמולוגית מניעה את היקום. המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה, שנקרא Lambda-CDM (ראשי תיבות של "חומר אפל קר למדא"), כולל מערכת מצומצמת של פרמטרים, שמתאימים למגוון עשיר של נתונים קוסמולוגיים וכבידתיים. אפשר לבנות מודל של יקום שמורכב ברובו מחומר אפל ומאנרגיה אפלה, שיתאים לפרמטרים האלה.
כדי להבין מהם חומר אפל ואנרגיה אפלה יש לדעת שהתאוצות הנמדדות של גופים בגלקסיה לא תואמות את חוקי ניוטון, שהם החוקים המושלים במכניקה הקלאסית של גופים כמו כוכבים, כוכבי לכת, ענני גז ועוד. ניסויים מעלים כי החומר נע מהר מדי יחסית לכמות המסה – ואם כך, מדוע אינו מתנתק מהגלקסיה? בנוסף, מהירות החומר בקצות הגלקסיה לא פוחתת ככל שמתרחקים ממרכזה, כפי שאמור לקרות בהנחה שכל המסה מרוכזת בתוך הגלקסיה.
מחישובים סטטיסטיים ומחישובים המבוססים על תאוצות גרמי השמיים והחוק השני של ניוטון, עולה כי מסת הגלקסיה שלנו, שביל החלב, היא כ-580 מיליארד מסות שמש, ויש מי שסבורים שאפילו יותר. המסה של כל החומר הנראה בגלקסיה עומדת על כ-46 עד 64.3 מיליארד מסות שמש, כך שמסת הגז שאנו יודעים על קיומו בתצפית היא לכל היותר 15-10 אחוז ממסת הגלקסיה כולה. חישוב פשוט מעלה שיש המון מסה חסרה. ובמילים אחרות, איננו יודעים להסביר 85 אחוז מהכבידה ביקום. ההסבר הרווח, אך לא היחיד, לפער הזה הוא שקיים ביקום חומר אפל, שאינו ניתן לגילוי באמצעים קונבנציונליים פשוט כי הוא לא מקיים שום יחסי גומלין עם הכוח האלקטרומגנטי.
תופעה לא מוסברת נוספת היא שנראה כאילו יש כוח שדוחף את הגלקסיות הלאה זו מזו, נגד השפעת הכבידה המושכת אותן זו כלפי זו. הגלקסיות ביקום מתרחקות אלה מאלה במהירות גדלה והולכת, אף שהכבידה אמורה להקטין את המהירות שבה הן מתרחקות. הכינוי שניתן לכוח המסתורי הזה, שאיננו יודעים את מקורו, הוא "אנרגיה אפלה". שני המושגים האלה הם חידה ולא פתרון, משום שהם אומנם מאזנים את המשוואות עם התצפיות, אבל איננו יודעים דבר על טיבם.
המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה כולל מערכת מצומצמת של פרמטרים, שמתאימים למגוון עשיר של נתונים קוסמולוגיים וכבידתיים. אילוסטרציה של המודל, מהמפץ הגדול לימינו | NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team
פרופ' רני בודניק מהמחלקה לפיזיקת חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע הוא קוסמולוג החוקר בעזרת ניסויים את צפונותיו של החומר האפל. בשיחה עם אתר מכון דוידסון הוא מספר: "ההבנה שלנו את היקום, כפי שהיא משתקפת מהמפץ הגדול וממדידות של קרינת הרקע הקוסמית – שהיא בבחינת דרישת שלום מהעבר, מראשית ימי היקום – מספקת תשובות לרוב השאלות המהותיות, ולוקחת בחשבון כמעט אך ורק את החומר האפל, כי הוא זה שקובע את הדינמיקה בקנה המידה הקוסמולוגי".
כמו שאתם מבינים בוודאי, הנה מתקרב "אֲבָל" גדול. "ב-12-10 השנים האחרונות, הקוסמולוגים החלו לשאול שאלות על התרחשויות הקרובות למרכזי גלקסיות", מוסיף בודניק. "גלקסיות וכוכבים וכל העולם המוכר לנו, עשויים ממה שנקרא 'חומר בָּרְיוני', וסמוך למרכזי גלקסיות הקוסמולוגיה מתחילה להשתנות ותופעות מוזרות קורות. עבורן הסימולציות הרגילות כבר לא יספקו את הסחורה".
וכך, ההדמיות החדשות, פרי עבודתם של חוקרים מאוניברסיטאות בבריטניה ובהולנד, לוקחות בחשבון לא רק חלקים מהיקום תוך התעלמות מהיתר, כפי שעשו קודמותיהן, כי אם כמות הרבה יותר גדולה של פרמטרים ורכיבים שעשויים להיות מעורבים בדינמיקה הקוסמולוגית.
הפעם נלקחו בחשבון החומר האפל והאנרגיה האפלה, וכן החומר הבריוני, שהדמיות קודמות רבות התעלמו ממנו פשוט כי התרומה שלו לכבידה היא נמוכה לעומת החומר האפל. כמו כן נלקחו בחשבון חלקיקי נייטרינו, שהם החלקיקים היסודיים הקלים ביותר המוכרים כיום לפיזיקאי החלקיקים, ושגם הם לא מקיימים יחסי גומלין עם הכוח האלקטרומגנטי.
איננו יודעים להסביר 85 אחוז מהכבידה ביקום. ההסבר הרווח לפער הזה הוא שקיים ביקום חומר אפל. סימולציה של התפלגות החומר האפל ביקום | Volker Springel / Max Planck Institute For Astrophysics / Science Photo Library
הבָּריון שלא רוצים להתעסק איתו
"חישובים מדויקים שאינם מתעלמים מהחומר הבריוני גובלים בבלתי אפשרי", אומר בודניק. "האינטראקציות שהם מקיימים מסובכות להפליא, ולכן בדרך כלל החישובים האלה מכניסים את החומר הבריוני כהפרעה ובצורה פנומנולוגית, כלומר כזו שבה הדגש הוא על התאמה לתצפיות ופחות על דיוק תיאורטי".
החומר הבריוני מבצע אינטראקציה עם הכוח האלקטרומגנטי, שבא לידי ביטוי בקרינה ובלחץ שהיא מפעילה, וכן ברוחות גלקטיות – שאיננו יודעים לחזות אותן וקשה לשתול אותן במודלים. הרוחות הגלקטיות האלה הן משבים וזרמים מהירים של גז שנפלטים בעת יצירתם של כוכבים חדשים, או כאלו שנובעים מחורים שחורים סופר-מסיביים ומאירועים קוסמולוגיים רבי עוצמה נוספים.
הפעם הרוחות הוכנסו להדמיות באמצעות אלגוריתמים של למידת מכונה, שאף היא נכנסה בסערה לאסטרופיזיקה ולקוסמולוגיה בשנים האחרונות, והדינמיקה שלהן מתוארת בעזרת כלים מתחום מכניקת הזורמים.
לכל אלה נוסף מתח מסוים, אי-התאמה שמכונה "מתיחות S8". המתיחות הזו באה לידי ביטוי בראש ובראשונה בשינויים בלתי צפויים בהתפלגות הצפיפות של גלקסיות; מעין סוד עלום שקשור להתנהגותה של הכבידה, שאותה המדע מכיר – או לפחות חושב שהוא מכיר.
S8 הוא מדד לשינויים של צפיפות החומר ביקום: עד כמה פיזור החומר אינו אחיד. ובמילים טכניות – עד כמה היקום אינו הומוגני. אפשר לחשב את ערכו של המדד הזה באמצעות המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה ומדידות של קרינת הרקע הקוסמית; ובאופן בלתי תלוי אפשר לחשב אותו גם באמצעות מדידות של עידוש כבידתי חלש – תופעה שבה השדה הכבידתי של אובייקטים בעלי מסה גבוהה מאוד מעקם קרני אור מהסביבה, בערך כמו שעושה עדשה אופטית. אבל יש בעיה – שני החישובים האלה לא מסכימים זה עם זה. חוסר ההתאמה הזה הוא מתיחות S8.
"מתיחות S8 מלווה את עולם המחקר בערך עשור", אומר בודניק. "לכאורה, באזורים רחוקים ממרכז הגלקסיה לא אמורה להיות אי-ליניאריות של הדינמיקה הקוסמולוגית, מכיוון שהחומר האפל מפוזר בערך באופן אחיד, והחומר הבריוני לא אמור להשפיע בצורה דרמטית על הדינמיקה ועל המסה. ובכל זאת, הסטטיסטיקה שמבוססת על תצפיות סביב החומר הבריוני מראות חריגה לא צפויה".
S8 הוא מדד לשינויים של צפיפות החומר ביקום: עד כמה פיזור החומר אינו אחיד. אילוסטרציה של מבנה החומר ביקום | Equinox Graphics / Science Photo Library
נתונים, נתונים, נתונים
המחקר החדש מחולק לשלושה מאמרים: המאמר הראשון מתאר את השיטות, השני מציג את ההדמיות והשלישי את הממצאים, בדגש על מתיחות S8. שלושתם ראו אור בכתב העת Monthly Notices of the Royal Astronomical Society בחודש אוגוסט אשתקד.
הסיבות לקיומה של מתיחות S8 לוטות בערפל. יש הטוענים כי פיזיקה חדשה, החורגת מהמודל הסטנדרטי, עשויה להסביר את הפער – אך נכון להיום איננו יודעים מהי. בעבודתם, החוקרים מעמתים ומאמתים את ההדמיות עם תצפיות ניסיוניות, למשל עידוש כבידתי או אפקט סוניאייב-זלדוביץ, (Sunyaev-Zel'dovich), שהוא עיוות של קרינת הרקע הקוסמית הנובע מפיזור פוטונים (חלקיקי אור) על ידי אלקטרונים חמים בצבירי גלקסיות.
הוספת החומר הבריוני דורשת הרבה יותר כוח חישוב מהרגיל. עם זאת, החוקרים אומרים שהם הצליחו במשימתם השאפתנית ובחנו את ראשית היקום מבעד למשקפי ההדמיה החדשה – שהנתונים ממנה מסתכמים בכמה פטה-בייטים (טריליארד בייטים). זוהי כמות עצומה של מידע, בכל קנה מידה.
אחת הסימולציות בסדרת פלמינגו לוקחת בחשבון 300 מיליארד חלקיקים, שכל אחד מהם בעל מסה של גלקסיה קטנה. כל הגלקסיות הללו, קצת כמו בסוף הסרט "גברים בשחור", מתקיימות בתוך קוביה וירטואלית שאורך המקצוע שלה הוא עשרה מיליארד שנות אור. שנת אור היא כתשעה טריליון קילומטר, כך שמדובר בגודל עצום. כל ההדמיות נכתבו בקוד חדש שפותח במיוחד בשבילן, ושמבצע חישובים בשלושים אלף ליבות מחשב.
"חשוב לקחת את הדברים בפרופורציה", מסכם בודניק. "העבודה הזו לא ייחודית מאוד בתחומה, הגם שהיא מספקת חידוש עבורנו. במידה מסוימת של צער, ניתן לעדכן כי החוקרים עדיין לא הצליחו להבין את הסיבות לקיומה של מתיחות S8, אך זוהי עוד תחנה בדרך לשם. במסע שלנו להבין אותו, היקום לא בורח לשום מקום".
