כשמודדים בשתי דרכים שונות כמה מהר מתפשט היקום, מקבלים תוצאות אחרות – כך שאחת מהן שגויה בהכרח. אי שם מסתתרת טעות – אבל איפה?

בקיצור

  • אסטרונומים חישבו שוב ושוב את קצב התפשטות היקום – קבוע האבל – בשתי טכניקות שונות. המדידות הללו יצרו סתירה שלכאורה אי אפשר ליישב.
  • שיטה אחת, הכוללת מדידת סופרנובות וכוכבים ביקום יחסית לאחרונה, מגיעה לערך אחד. האסטרטגיה השנייה, שנעזרת בשרידי אור שנותרו מהתקופה שקצת אחרי המפץ הגדול, מוצאת ערך אחר.
  • מקור אי ההתאמה הזאת יכול להיות בעיות בניסוי, אבל איש לא יודע להצביע עליהן במדויק. אפשרות אחרת היא שהסתירה מצביעה אל תופעות שטרם גילינו – "פיזיקה חדשה".

לקראת סוף המאה ה-20, המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי נראה שלם. נותרו בו כמובן שלל תעלומות בלתי פתורות. הוא שפע בבירור שדות פוריים למחקר עתידי, אבל כמכלול הוא עמד איתן: כשני שליש מהיקום היו אנרגיה אפלה (גורם מסתורי שמאיץ את התפשטות היקום), כרבע ממנו היה חומר אפל (מרכיב מסתורי שמכתיב את התפתחות המבנה של היקום), וארבעה או חמישה אחוזים חומר "רגיל" (החומר שאנחנו עשויים ממנו – וגם כוכבי הלכת, הכוכבים, הגלקסיות וכל הדברים האחרים שמאז ומעולם, עד לפני כמה עשרות שנים, סברנו שהם היקום כולו). כל החלקים התחברו.

אבל תעצרו רגע. או, ליתר דיוק האצתם יותר מדי.

בשנים האחרונות צצה אי-התאמה בין שתי דרכים למדידת קצב התפשטות היקום, גודל הקרוי "קבוע האבל" (H0). מדידות שהחלו ביקום בן זמננו ונעו אחורה לשלבים יותר ויותר מוקדמים, הראו באופן עקבי ערך אחד עבור הקבוע. אולם מדידות שמתחילות בשלבים הראשוניים של היקום ונעות מהם קדימה מתעקשות לחזות ערך אחר – שמעיד שהיקום מתפשט מהר מכפי שחשבנו.

מבחינה מתמטית מדובר בסטייה קלה, אבל – כמו שקורה לעיתים קרובות כשמנפחים סטיות מתמטיות קלות לקנה המידה המרחב-זמני של היקום – היא משמעותית מבחינה קוסמית. ידיעת קצב ההתפשטות הנוכחי של היקום מסייעת לקוסמולוגים להסיק במבט לאחור בזמן מהו גילו של היקום. היא גם מאפשרת להם להתבונן קדימה בזמן כדי להסיק מתי, על פי התיאוריה הנוכחית, החלל הבין-גלקטי יהיה עצום עד כדי כך שמעבר לסביבתנו הקרובה ביותר הקוסמוס ייראה שומם לחלוטין. ידיעת הערך המדויק של קבוע האבל תוכל אפילו לשפוך אור על טבעה של האנרגיה האפלה המניעה את ההאצה הזו.

נכון להיום, מדידות היקום המוקדם במבט קדימה חוזות ערך אחד עבור קבוע האבל, והמדידות לאחור מהיקום בן זמננו מגלות ערך אחר. מצב כזה אינו נדיר במדע. בדרך כלל הוא נעלם אחרי מדידה מדוקדקת יותר – וההנחה שהוא ייעלם שיככה את חששות הקוסמולוגים בעשר השנים האחרונות. אבל לא זו בלבד שהאי-התאמה הזו לא נעלמה, אפשר לומר שהיא אפילו החמירה עם השנים, כשכל אחת מקבוצות המדידות נהיית יותר ויותר עיקשת. וכעת כולם כבר מסכימים שיש כאן בעיה.

איש אינו טוען שהמודל הקוסמולוגי הסטנדרטי שגוי מיסודו. אבל משהו שגוי – אולי משהו בתצפיות או בפרשנות שלהן, אם כי אף אחד מהתרחישים האלו איננו סביר. המצב הזה משאיר אותנו עם אפשרות אחת אחרונה – לא סבירה באותה מידה, אבל פחות ופחות מופרכת: יש פגם כלשהו במודל הקוסמולוגי עצמו.

גלקסיית אנדרומדהגלקסיית אנדרומדה | צילום: נאס"א

סטייה לאדום

לאורך מרבית ההיסטוריה האנושית, "חקר" מקורותינו הקוסמיים התמצה במיתוסים – גרסאות אלה ואחרות של סיפורי "בראשית". בשנת 1925 הצעיד האסטרונום האמריקאי אדווין האבל את התחום צעד קטן לעבר המדע הניסויי כשהכריז כי פתר תעלומה בת מאות שנים בנוגע לזהותם של כתמים בשמים – שהאסטרונומים כינו "ערפיליות". האם הערפיליות הן תצורות גזיות השוכנות תחת חופת הכוכבים? אם כן, אז אולי חופת הכוכבים הזאת, הנפרשת הרחק לכל עבר עד למרחק הגדול ביותר שהטלסקופים החזקים ביותר של הימים ההם יכלו לראות, הייתה היקום כולו. או שמא הערפיליות האלו הן "איי יקומים" עצמאיים? האבל גילה שלפחות ערפילית אחת מתאימה לאפשרות השנייה: הגוף השמימי שאנו קוראים לו כיום גלקסיית אנדרומדה.

יתר על כן, כשהאבל התבונן באור המגיע מערפיליות אחרות, הוא גילה שאורכי הגל שלו נמתחים לעבר הקצה האדום של הספקטרום הנראה, מה שהעיד שכל אחד ואחד מהם מתרחק בהתמדה מכדור הארץ. (מהירות האור נשארת קבועה. מה שמשתנה זה המרחק בין שיאי הגל, והאורך הזה קובע את הצבע). בשנת 1927, הפיזיקאי והכומר הבלגי ז'ורז' למטר (Lemaître) זיהה דפוס: ככל שהגלקסיה רחוקה יותר, כך גדלה ההסטה שלה לאדום. ככל שהיא רחוקה יותר, כך היא נסוגה מהר יותר. בשנת 1929 הגיע האבל בכוחות עצמו לאותה מסקנה: היקום מתפשט.

מאיפה הוא מתפשט? אם תהפכו את כיוון ההתפשטות של היקום תקבלו בסופו של דבר נקודת התחלה, מעין רגע של לידה. כמעט בין רגע הציעו תיאורטיקנים מעין פיצוץ של המרחב והזמן, תופעה שלימים הודבק לה הכינוי (המלגלג בתחילה) "המפץ הגדול". הרעיון נשמע דמיוני, ובמשך כמה עשרות שנים, בהיעדר ראיות המבוססות על נתונים, מרבית האסטרונומים הרשו לעצמם להתעלם ממנו.

המצב השתנה ב-1965, כששני מאמרים פורסמו במקביל בכתב העת Astrophysical Journal. המאמר הראשון, שחיברו ארבעה פיזיקאים מאוניברסיטת פרינסטון, חזה את הטמפרטורה הנוכחית של יקום שהגיח מתוך כדור אש בראשיתי. המאמר השני, מאת שני אסטרונומים ממעבדות בל, דיווח על המדידות של הטמפרטורה הזו.

אנטנת הרדיו של מעבדות בל קלטה שכבה של קרינה שמגיעה מכל כיוון בשמים – שנודעה בהמשך בתור קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו (CMB). הטמפרטורה שהמדענים גזרו ממנה, 3 מעלות מעל האפס המוחלט, לא התאימה בדיוק לתחזית של שותפיהם מפרינסטון, אולם בהתחשב בזה שזו הייתה רק מדידה ראשונה, הקירבה בין הנתונים הספיקה כדי ליצור קונצנזוס סביב פרשנות המפץ הגדול.

בשנת 1970 פרסם אלן ר' סאנדג' (Sandage), בן-חסותו לשעבר של האבל, מאמר רב-השפעה בכתב העת Physics Today, שגיבש בפועל את תוכנית המחקר של המדע החדש הזה בעשרות השנים הבאות: "קוסמולוגיה: חיפוש אחרי שני מספרים". מספר אחד, אמר סאנדג', היה הקצב הנוכחי של התפשטות היקום – קבוע האבל. המספר השני היה הקצב שבו ההתפשטות מאיטה – פרמטר התאוטה.

אנרגיה אפלההאנרגיה האפלה מאיצה את היקום | אילוסטרציה: GiroScience, שאטרסטוק

תאוצה בלתי צפויה

הערך הראשון שהמדענים הגיעו להסכמה לגביו היה ערכו של המספר השני. בשלהי שנות ה-80 התגייסו שתי קבוצות של מדענים לנסות למדוד את התאוטה על סמך הנחה פשוטה וכלי פשוט. ההנחה הייתה שביקום מתפשט שהחומר בתוכו מקיים אינטראקציות כבידתיות עם כל שאר החומר – כל דבר מושך את כל שאר הדברים, כך שההתפשטות חייבת להאט. הכלי היה סופרנובות מסוג Ia, כוכבים מתפוצצים שהאסטרונומים קיוו להשתמש בהם בתור "נרות תקניים" – כלומר מקורות אור שיהיו זהים תמיד, כך שיהיה אפשר להסיק את מרחקם היחסי על פי הבהירות שלהם. (נורה של 60 ואט תיראה יותר ויותר עמומה ככל שנתרחק ממנה, אבל כל עוד יודעים שזו נורת 60 ואט, אפשר להסיק את המרחק אליה). האסטרונומים הניחו שאם ההתפשטות מאיטה, אזי במרחק עצום כלשהו מכדור הארץ הסופרנובה תהיה קרובה יותר, ולפיכך בהירה יותר, ממה שהיה אילו היקום היה גדל בקצב קבוע.

אולם שתי הקבוצות גילו, באופן בלתי תלוי, שהסופרנובות הרחוקות ביותר היו עמומות יותר מהצפוי ולכן רחוקות יותר. בשנת 1998 הן הכריזו את מסקנתן: התפשטות היקום אינה מאיטה. היא מאיצה. הסיבה לתאוצה הזאת תכונה בהמשך "אנרגיה אפלה" – שם שיש להשתמש בו לעת עתה עד שמישהו או מישהי יגלו מה היא באמת.

ערכו של המספר הראשון של סאנדג' – קבוע האבל – התקבל זמן קצר לאחר מכן. במשך עשרות שנים היה המספר הזה שנוי במחלוקת בקרב אסטרונומים. סאנדג' עצמו טען ש-H0 צריך להיות בסביבות 50 (קצב ההתפשטות מבוטא ביחידות של קילומטרים לשנייה ל-3.26 מיליון שנות אור), ערך שממנו נובע שגיל היקום הוא כ-20 מיליארד שנה. אסטרונומים אחרים נטו יותר לכיוון H0 שקרוב ל-100, המתאים לגיל של כעשרה מיליארדי שנים. אי ההתאמה הייתה מביכה: אפילו מדע שנמצא בחיתוליו אמור להיות מסוגל לצמצם את ערכו של מספר יסודי לטווח הנמוך מפי שניים.

בשנת 2001 השלים המיזם המרכזי של טלסקופ החלל האבל את המדידה המהימנה הראשונה של קבוע האבל. הנרות התקניים במדידותיו היו משתנים קפאידיים, כלומר כוכבים שמתבהרים ומתעמעמים בדפוס קבוע הנובע מהבהירות המוחלטת שלהם (ה"60-ואט" שלהם, לצורך העניין). מסקנתו של המיזם המרכזי הייתה פשרה בין שני הערכים הקודמים: 72±8.

תזמון גלקסיות מאיצות
הגישה הקלאסית לחישוב קבוע פלנק ביקום המאוחר דורשת למדוד את המהירויות והמרחקים של גלקסיות רחוקות מאוד השוכנות במרחק רב מאיתנו. כדי למצוא את המהירות אנו מסתמכים על תופעה שנקראת "הסטה קוסמולוגית לאדום" – תופעה שבה האור שפולטים עצמים הנסוגים מאיתנו נמתח, או מאדים, עם התפשטות היקום. ככל שההסטה לאדום גדולה יותר, כך עולה המהירות שבה העצם נסוג.

תרשים הסטה לאדוםאיור: ין כריסטיאנסן

את הפרויקט הבא לחיפוש אחר הקבוע בכלים אסטרונומיים בלבד ערך צוות בשם SH0ES (קיצור של "סופרנובות, H0, עבור משוואת המצב של האנרגיה האפלה"), בניהולו של אדם ג' ריס (Riess), שהיה בין הזוכים בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2011 לרגל התפקיד שמילא בגילוי האצת ההתפשטות בשנת 1998. הנרות התקניים היו הפעם גם קפאידיים וגם סופרנובות מסוג Ia, שכללו כמה מהסופרנובות הרחוקות ביותר שנצפו אי פעם. הממצא הראשוני, ב-2005, היה 73±4, כמעט זהה לזה של המיזם המרכזי של טלסקופ האבל, אבל עם טווח שגיאה קטן יותר. מאז ועד היום סיפק צוות SH0ES עדכונים סדירים, שנעו כולם סביב אותו ערך עם טווח שגיאה קטן והולך. התוצאה העדכנית ביותר, משנת 2019, עומדת על 74.03±1.42.

כל המאמצים האלה לקבוע את קבוע האבל צמחו מתוך הגישה המסורתית של האסטרונומיה: להתחיל כאן ועכשיו, מהממלכה שהקוסמולוגים מכנים "היקום המאוחר", ולשלוח מבט יותר ויותר רחוק אל מעמקי החלל. מאחר שמהירות האור היא סופית, משמעות הדבר היא להביט יותר ויותר רחוק אחורה אל העבר, עד כמה שרק אפשר.

אולם בעשרים השנים האחרונות התחילו חוקרים להשתמש גם בגישה הנגדית. הם מתחילים בנקודה רחוקה ככל האפשר ונעים קדימה אל ההווה. נקודת הגבול – הפרגוד המפריד בין מה שאנחנו יכולים לראות לבין מה שאיננו יכולים לראות, בין היקום "המוקדם" ו"המאוחר" – היא אותה קרינת רקע בגלי מיקרו שזיהו האסטרונומים רוברט וילסון (Wilson) וארנו פנזיאס (Penzias) שהשתמשו באנטנות של מעבדות בל בשנות ה-60.

פנזיאס ווילסון ליד טלסקופ הרדיו של בלהאסטרופיזיקאים וילסון ופנזיאס ליד האנטנה שאיתה גילו את קרינת הרקע הקוסמית | צילום: Science Photo Library

קרינת הרקע היא קרינה קדמונית שנותרה מהתקופה שבה היקום הצעיר, שהיה אז בן 379 אלף שנה בלבד, התקרר מספיק כדי לאפשר לאטומי מימן להיווצר, לפזר את הערפל הסמיך של פרוטונים ואלקטרונים חופשיים ולפנות ביקום די מקום לתנועת פוטוני אור. אומנם התמונה הראשונה של קרינת הרקע שהפיקו מעבדות בל תיארה מרחב חלק ואחיד, אבל התיאורטיקנים שיערו שאם יגדילו את ההפרדה (רזולוציה), קרינת הרקע תחשוף הבדלים בטמפרטורה שמייצגים את זרעי הצפיפות שיתפתחו בסופו של דבר למבנה היקום שאנחנו מכירים כיום – גלקסיות, צבירי גלקסיות וצבירי-על של גלקסיות.

בשנת 1992, גשושית החלל הראשונה למדידת קרינת הרקע, הלוויין קובי (Cosmic Background Explorer), גילתה את ההבדלים המכוננים האלו; בשנת 2003 סיפקה גשושית חלל אחרת – גשושית אַנְאִיזוטרופְּיָת קרינת המיקרו ע"ש וילקינסון (WMAP) הפרדה הרבה יותר גבוהה – ברמה שאפשרה לפיזיקאים לזהות את גודלם של גלי קול קדמוניים שנוצרו בידי חומר קדמוני. כמצופה מגלי קול שנעו במהירות קרובה למהירות האור במשך 379 אלף שנה, ל"נקודות" בקרינת הרקע יש רדיוס משותף שאורכו כ-379 אלף שנות אור. ומאחר שהנקודות הללו גדלו והפכו ליקום שאנו חוקרים כיום, קוסמולוגים יכולים להשתמש בגודל ההתחלתי הזה בתור "סרגל תקני" שיסייע להם למדוד את היקף הגידול וההתפשטות של המבנה בקנה מידה גדול עד ימינו. המדידות האלו חושפות בתורן את קצב ההתפשטות – קבוע האבל.

מבט מהיקום המוקדם
אפשר למדוד את קבוע האבל גם בעזרת קרינת הרקע הקוסמית שממלאת את כל השמיים. הקרינה הזאת היא עקבות האור שהותיר המפץ הגדול, בשלב שבו היקום היה מרחב של פלזמה דחוסה ומבעבעת וגילו לא עלה על 379 אלף שנה. גלי קול שהדהדו דרך הפלזמה הזאת יצרו בחומר אזורים דחוסים יותר ודחוסים פחות, שהותירו בקרינת הרקע עקבות בצורת הבדלים דקים בטמפרטורה. חקירת הגודל של השינויים האלו ותכונות אחרות שלהם מאפשרת לקוסמולוגים להשתמש בהם בתור "סרגל תקני" – אמת מידה למיפוי גדילת היקום והתפתחותו לאחר מכן. מהמחקרים הללו אפשר לאחר מכן לאמוד את קבוע האבל.

המדידה הראשונה של קבוע האבל מ-WMAP עמדה על 72±5. מושלם. המספר הזה התאים בדיוק לממצאי טלסקופ האבל, עם בונוס – צמצום טווח השגיאה. הממצאים שסיפק WMAP בהמשך היו קצת יותר נמוכים: 73 בשנת 2007, 72 בשנת 2009, 70 בשנת 2011. אבל זה בסדר: טווחי השגיאה של המדידות של SH0ES ושל WMAP עדיין חפפו בתחום שבין 72 ו-73.

אבל ב-2013 שני שולי השגיאה כבר כמעט שלא חפפו. הממצא המעודכן ביותר של SH0ES הראה אז שקבוע האבל הוא 74±2, והממצא הסופי של WMAP הראה קבוע האבל של 70±2. ואפילו אז עדיין לא הייתה סיבה לדאוג. שתי השיטות יכלו להסכים על ערך של 72. היה ברור שככל שהטכנולוגיה והמתודולוגיה ישתפרו, כך ממצאי אחת השיטות יתחילו לנטות לכיוון אלה של האחרת – אולי כבר כשיגיעו הנתונים הראשונים מטלסקופ החלל פלנק של סוכנות החלל האירופית, שהחליף את WMAP.

המידע החדש הזה הגיע הגיעו בשנת 2014: 67.4±1.4. כבר לא הייתה חפיפה בטווח השגיאה – רחוק מכך. ובהמשך התברר שהנתונים שהגיעו מפלנק בהמשך עקביים לא פחות מאלו של SH0ES. הערך שקבע פלנק לקבוע האבל נשאר 67, וטווח השגיאה הצטמק ל-1, ולאחר מכן, ב-2018, לפחות מ-1.

המונח המדעי המקובל לתיאור מצב כזה הוא "מתיחוּת", וזאת אכן הייתה כותרת הכנס שנערך במכון קאוולי לפיזיקה תיאורטית (KITP) בסנטה ברברה שבקליפורניה בקיץ 2019: "מתיחויות בין היקום המוקדם ליקום המאוחר". הדובר הראשון היה ריס, ובסיום הרצאתו הוא פנה לחתן פרס נובל אחר שישב באולם, פיזיקאי החלקיקים דיוויד גרוס שעמד בעבר בראש המכון, ושאל אותו לדעתו: האם יש לנו "מתיחות" או "בעיה"?

גרוס הזהיר בתחילה שאבחנות כאלו הן "שרירותיות". ואז אמר, "אבל כן, אני חושב שאתה יכול לקרוא לזה בעיה". עשרים דקות לאחר מכן, בתום פרק השאלות והתשובות, הוא תיקן את הערכתו. בפיזיקת חלקיקים, אמר, "לא היינו קוראים לזה מתיחות או בעיה, אלא משבר".

"בסדר", סיכם ריס. "אז חברים, אנחנו במשבר".

טלסקופ החלל פלנקטלסקופ החלל פלנק. פער בלתי ניתן ליישום | איור: דיוויד דוקרוס – סוכנות החלל האירופית, SPL

איפה הכשל?

מתיחות צריך ליישב. בעיה צריך לפתור, אבל משבר דורש משהו מעבר לכך – הוא דורש חשיבה מחודשת בקנה מידה סיטונאי. אבל חשיבה על מה? חוקרי קבוע האבל מזהים שלוש אפשרויות.

האפשרות הראשונה היא שמשהו שגוי בחקר היקום המאוחר. חוסנו של "סולם מרחקים" קוסמי שנמתח הלאה והלאה לאורך היקום נגזר מעוצמת שלביו – הנרות התקניים. כמו בכל תצפית מדעית, אין מנוס משגיאות שיטתיות.

האפשרות הזאת הסעירה את הרוחות בכנס של מכון קאוולי. קבוצה בראשות האסטרופיזיקאית ל' פרידמן, הפועלת כיום באוניברסיטת שיקגו והייתה בין החוקרים הראשיים במיזם המרכזי, הטילה פצצה כששלפה באמצע הכנס מאמר שהכריז על ממצא מנוגד. באמצעות נר תקני מסוג אחר – כוכבים המכונים ענקים אדומים חווים רגע לפני גוויעתם "הבזק הליום", שממנו אפשר להסיק באמינות גבוהה את עוצמת ההארה שלהם – הגיעו פרידמן ועמיתיה לערך, שלפי המאמר שלהם "שוכן באמצע הטווח שהגדירה מתיחות האבל הנוכחית": 69±0.8. הממצא הזה לא מציע שום נחמה, כי אין חפיפה בין טווח השגיאה שלו לבין הטווח של SH0ES או של פלנק.

התזמון של הצגת המאמר נתפס כקריאת תיגר, לפחות בעיני אחדים מחוקרי היקום המאוחר שנכחו בכנס. לצוות SH0ES בפרט לא היה די זמן לעכל את הנתונים (ואת זה ניסו המדענים לעשות במהלך ארוחת הערב), לא כל שכן לנסח תגובה הולמת.

אולם שלושה שבועות בלבד לאחר מכן הם פרסמו מאמר תגובה. מחברי המאמר פתחו  בקביעה דיפלומטית שלפיה השיטה שבה השתמש צוותה של פרידמן "היא נר תקני מבטיח למדידת מרחקים חוץ-גלקטיים", ואז קרעו אותה לגזרים כשציינו את השגיאות המערכתיות שהיטו לדעתם את ממצאי הצוות. ריס ועמיתיו ביכרו פרשנות של נתוני הענק האדום שהשיבה את קבוע האבל לערך השוכן בבטחה בתוך הטווח הקודם שלו: 72.4±1.9.

פרידמן חולקת בשצף קצף על הפרשנות שלהם: "היא שגויה! שגויה לחלוטין!" היא אומרת. "הם לא הבינו נכון את השיטה, אף על פי שהסברנו להם אותה לאורך כמה וכמה כנסים".

(בתחילת אוקטובר 2019, בכנס "מתיחות" אחר, עלתה המחלוקת על פסים אישיים כשהמדען בארי מאדור (Madore) – בן זוגה של פרידמן ועמיתה – הציג שקופית שתיארה את ראשו של ריס בתוך גיליוטינה. התמונה הייתה חלק ממטפורה שנועדה לייצג את האיום המרחף על האסטרופיזיקה, ומאדור אמר לאחר מכן שהכנסת ראשו של ריס לתמונה הייתה הלצה ותו לא. אבל ריס ישב בקהל; מיותר לציין שבמהלך הפסקת הקפה הבאה נערך, לדרישתם של רבים מהנוכחים, דיון על אתיקה מקצועית).

ריבים כאלה לא משאירים לפיזיקאֵי חלקיקים הרבה ברירה מלבד להסיק ששורש הבעיה הוא אכן האסטרונומים והשגיאות הכרוכות בשיטת סולם המרחקים. אבל הרי גם תצפיות על קרינת הרקע וגם הסרגל הקוסמי מועדים לשגיאות שיטתיות, נכון? עקרונית, כן. אבל רק אסטרונומים מעטים (אם בכלל יש כאלה) סבורים שהבעיה טמונה בתצפיות של פלנק, שלדעת הפיזיקאים הגיעו עד לקצה גבול הדיוק האפשרי במדידת עבור תצפיות חלל של קרינת הרקע.

במילים אחרות, ייתכן שלעולם לא נשיג מדידות טובות יותר של קרינת הרקע מאלה של פלנק. "הנתונים מרהיבים", אומר האסטרונום ניקולס סאנטזף (Suntzeff) מאוניברסיטת טקסס A&M, ששיתף פעולה עם פרידמן וגם עם ריס, אבל בהקשרים שאינם נוגעים לקבוע האבל. "וכמו כן, תצפיות בלתי תלויות" בקרינת הרקע – שנעשו בטלסקופ הקוטב הדרומי ובמערך המילימטרי הגדול של אטקאמה (ALMA) – "מראות שאין שום שגיאות".

אם המקור למתיחות האבל אינו תצפיות של היקום המאוחר או המוקדם, אזי לא נותרה לקוסמולוגים ברירה אלא לבחון את האפשרות השלישית: "פיזיקה חדשה".

טלסקופ הקוטב הדרומיטלסקופ הקוטב הדרומי. גם מכאן לא באה הישועה | צילום: סטפן ריכטר, SPL

להמציא את הגלגל מחדש

כבר כמעט מאה שנה מדענים מדברים על פיזיקה חדשה – כוחות או תופעות שיחרגו מהידע הנוכחי שלנו על היקום. עשר שנים בלבד לאחר שאלברט איינשטיין הציג את תורת היחסות הכללית ב-1915, הפציעה מכניקת הקוונטים והחלה לאיים על שלמותה. התברר כי היקום של הדברים הגדולים מאוד (שפועל בהתאם לחוקי תורת היחסות הכללית) אינו מתיישב מבחינה מתמטית עם היקום של הדברים הקטנים מאוד (המציית לחוקי מכניקת הקוונטים).

במשך זמן מה יכלו הפיזיקאים להתעלם מהבעיה, שכן שתי הממלכות לא נפגשו זו בזו בפועל. אבל אז התגלתה קרינת הרקע, שאיששה את הרעיון שהיקום של הדברים הגדולים מאוד נוצר מתוך היקום של הדברים הקטנים מאוד – שהגלקסיות והצבירים, הגופים בקנה המידה הגדול שאנחנו חוקרים על ידי תורת היחסות הכללית, צמחו מתוך תנודות קוונטיות. מתיחות האבל נובעת בדיוק מתוך הניסיון להתאים בין שני סוגי הפיזיקה האלו. התנודות הקוונטיות בקרינת הרקע חוזות שהיקום יזדקן עם ערך אחד של קבוע האבל, ואילו התצפיות המבוססות על תורת היחסות הכללית הנערכות בימינו חושפות ערך אחר.

ריס משווה את אי ההתאמה הזו לגדילה האנושית. "יש לכם ילד, ואתם יכולים למדוד בדיוק רב את גובהו כשהוא בן שנתיים", הוא אומר. "ואז אתם יכולים להשתמש בידע שלכם על האופן שבו אנשים גדלים, מעין גרף גדילה, כדי לחזות את גובהו הסופי". השאיפה היא שהתחזית והמדידה יתיישבו זו עם זו. "במקרה שלפנינו", הוא אומר, "הן לא". מצד שני, הוא מוסיף, "אין לנו גרף גדילה שמתאר איך יקומים גדלים בדרך כלל".

הקוסמולוגים החלו אפוא להשתעשע באפשרות המהפכנית – אם כי לא בהכרח מרה – שהמודל הקוסמולוגי הסטנדרטי שונה ממה שחשבו.

אחד הגורמים האפשריים שעשוי להשפיע על הבנתנו את גידול היקום הוא ספק בנוגע לאוכלוסיית החלקיקים ביקום. רוב המדענים החיים כיום מבוגרים מספיק כדי לזכור מקרה אחר שבו התצפית סטתה מהתיאוריה: "בעיית חלקיקי הניטרינו הסולריים", ויכוח שנמשך עשרות שנים בנוגע לחלקיקי ניטרינו-אלקטרון המגיעים מהשמש. התיאורטיקנים חזו כמות מסויימת; גלאֵי ניטרינו מצאו כמות אחרת. הפיזיקאים חשדו שיש שגיאות שיטתיות בתצפיות. האסטרונומים פקפקו בשלמות התיאוריה.

כמו במקרה של מתיחות קבוע האבל, אף צד לא סטה מעמדתו כמלוא הנימה – עד סוף המילניום, אך אז הופתעו חוקרים לגלות שלחלקיקי ניטרינו יש מסה; התיאורטיקאים תיקנו את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים בהתאם לתגלית. תיקון דומה כעת – למשל סוג חדש של ניטרינו ביקום המוקדם – עשוי לשנות את התפלגות המסה והאנרגיה בדיוק במידה הדרושה כדי להסביר את הפערים במדידה.

הסבר אפשרי אחר הוא שהשפעת האנרגיה האפלה משתנה עם הזמן – חלופה מתקבלת על הדעת, בהתחשב בכך שהקוסמולוגים אינם יודעים איך האנרגיה האפלה פועלת, ואפילו לא מה היא בכלל.

"נחוץ תיקון קטן במקום כלשהו כדי שהמספרים יתאזנו", אומר סאנטזף. "זוהי פיזיקה חדשה, וזה מה שמרגש את הקוסמולוגים – סדק בחומה של המודל הסטנדרטי, משהו חדש שאפשר להתקדם איתו".

כולם יודעים מה הצעד הבא שלהם. התצפיתנים ממתינים לנתונים מ"גאיה", מצפה של סוכנות החלל האירופית שמבטיח לספק לנו בשנתיים הקרובות מדידות מדויקות באופן חסר תקדים של המרחקים אל יותר ממיליארד כוכבים בגלקסיה שלנו. אם המדידות האלו לא יתאימו לערכים שהאסטרונומים השתמשו בהם לשלב הראשון בסולם המרחקים, אולי יתברר שבכל זאת הבעיה היו שגיאות שיטתיות. במקביל, תיאורטיקאים ימשיכו להציע פרשנוית חלופיות של היקום. אולם עד כה הם לא מצאו פרשנות שעומדת בבחינה מדוקדקת של הקהילה המדעית. שם, כחומה בצורה החוסמת כל פריצת דרך, תישאר לעת עתה אותה מתיחות – או בעיה, או משבר: ביקום בלתי מדעי למחצה שבו חיים בכפיפה אחת קבוע האבל חזוי של 67 לעומת קבוע נצפה של 74.

המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי היה ונותר אחת מפסגות ההשגים של המדע בדורנו. במשך יובל שנים הקוסמולוגיה הבשילה, מהשערה גרידא עד (כמעט) ודאות. ייתכן שהיא פחות שלמה מכפי שחשבו הקוסמולוגים אפילו לפני שנה, אולם היא נשארת אות ומופת לאופן שבו המדע פועל כשהוא במיטבו: הוא מעלה שאלות, הוא מספק תשובות, והוא מפנה את מבטנו אל המסתורין.

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון מרץ 2020 של כתב העת Scientific American

לקריאה נוספת

  • Planck 2018 Results. VI. Cosmological Parameters. Planck Collaboration. Preprint posted July 17, 2018, to https://arxiv.org/abs/1807.06209
  • Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics Beyond LambdaCDM. Adam G. Riess et al. Preprint posted March 18, 2019, to https://arxiv.org/abs/1903.07603
  • The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. An Independent Determination of the Hubble Constant Based on the Tip of the Red Giant Branch. Wendy L. Freedman et al. in Astrophysical Journal, Vol. 882, No. 1, Article No. 34; September 2019.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

2 תגובות

  • אנונימי

    מרתק

    תודה

  • משה

    מי אני...

    קראתי בשקיקה ואכן מדובר בנושא מרתק מאין כמותו, אבל לאורך הכתבה כולה רחפה אצלי התחושה שהשאיפה לנתון מדוייק היא קצת.... מיותרת.
    אולי כדאי לתת לאנשים המאוד חכמים האלו אתגרים יותר משמעותיים כגון הבנת החומר האפל או האנרגיה האפלה ואולי אחרי שנשלים את הנושאים הבלתי פתורים האלו יהיה למדענים הנל סרגלים נוספים לעבוד איתם...
    (וכרגע אני מרגיש כמו ברברה מהגשש (״ובסך הכל מי אני, מה אני, מי אני, מה אני, מי אני, מה אני, מה... מה.... מה...״))