איך (כמעט) שום דבר לא יכול לפתור את השאלות הגדולות של הקוסמולוגיה | מגזין קוונטה

כמו עיר מוארת באמצע מדבר עקר, השכונה הגלקטית שלנו עטופה בחלל קוסמי - כיס עצום, כמעט בלתי נתפס של חלל. לאחרונה, סקרי שמיים הבחינו באלפים נוספים מהבועות הפנויות הללו. כעת, חוקרים מצאו דרך לשלוף מידע מהחללים הקוסמיים הללו: על ידי ספירה של כמה מהם קיימים בנפח של חלל, מדענים המציאו דרך חדשה לחקור שתיים מהשאלות הקוצניות ביותר בקוסמולוגיה.

"זו הפעם הראשונה שבה השתמשנו במספרים ריק כדי לחלץ מידע קוסמולוגי," אמר אליס פיסאני, קוסמולוגית באוניברסיטת פרינסטון ובמכון פלטירון ומחברת א הדפסה מוקדמת חדשה מתאר את העבודה. "אם אנחנו רוצים לדחוף את גבולות המדע, אנחנו צריכים ללכת מעבר למה שכבר נעשה."

חוקרים חיפשו כלים חדשים בין השאר כי יש להם כמה תעלומות גדולות לפתור. הראשון, והמבלבל ביותר, הוא הקצב שבו היקום מתפשט, ערך המכונה קבוע האבל. במשך יותר מעשור, מדענים נאבקו ליישב מדידות סותרות של שיעור זה, וחלקם אף מכנים את הנושא המשבר הגדול ביותר בקוסמולוגיה.

בנוסף, יש לחוקרים מדידות סותרות של הגושים של החומר הקוסמי - הצפיפות הממוצעת של מבנים בקנה מידה גדול, חומר אפל, גלקסיות, גזים וחללים המופצים ברחבי היקום כפונקציה של זמן.

בדרך כלל, אסטרונומים מודדים את הערכים הללו בשתי דרכים משלימות. באופן מוזר, שתי השיטות הללו מייצרות ערכים שונים הן עבור קבוע האבל והן עבור חוזק צבירת החומר שנקרא.

בגישה החדשה שלהם, Pisani ועמיתיה משתמשים בחללים קוסמיים כדי להעריך את שני הערכים. והתוצאות המוקדמות שלהם, שנראה שהן מתאימות הרבה יותר לאחת מהשיטות המסורתיות מהאחרת, תורמות כעת את המורכבות שלהן לחילוקי דעות מלאים ממילא.

"מתח האבל נמשך עשור עד כה כי זו בעיה קשה", אמר אדם ריס, אסטרונום באוניברסיטת ג'ונס הופקינס שמשתמש בסופרנובות כדי להעריך את קבוע האבל. "הבעיות הברורות נבדקו והנתונים השתפרו, כך שהדילמה מעמיקה".

כעת, התקווה היא שלימוד כמעט לא יכול להוביל למשהו גדול.

בניית בועות

חללים הם אזורים בחלל שהם פחות צפופים מהיקום, בממוצע. הגבולות שלהם מוגדרים על ידי היריעות והחוטים העצומים של גלקסיות השזורים ברחבי הקוסמוס. חלק מהחללים משתרעים על פני מאות מיליוני שנות אור, וביחד, הבועות הללו מהוות לפחות 80% מנפח היקום. עם זאת, במשך זמן רב איש לא שם לב אליהם במיוחד. "התחלתי את המחקר שלי ב-2011 עם כ-200 חללים", אמר פיסאני. "אבל עכשיו יש לנו בערך 6,000."

לבועות יש נטייה להתרחב מכיוון שבתוכן, אין הרבה חומר להפעיל כוח משיכה פנימה. הדברים שמחוץ להם נוטים להתרחק. וכל גלקסיה שמתחילה בתוך חלל נמשכת החוצה על ידי משיכה הכבידה של המבנים המגדירים את קצה החלל. בגלל זה, בריק "מעט מאוד קורה", אמר פיסאני. "אין מיזוגים, אין אסטרופיזיקה מסובכת. זה מקל מאוד להתמודד איתם".

אבל צורתו של כל חלל שונה, מה שעלול להקשות על מדענים לזהות אותם. "אנחנו רוצים לוודא שהחללים שלנו חזקים", אמר פיסאני. "כמה ריק זה צריך להיות, ואיך אני מודד את זה?"

מסתבר שההגדרה של "כלום" תלויה בסוג המידע שאסטרונומים רוצים לחלץ. Pisani ועמיתיו התחילו עם כלי מתמטי שנקרא דיאגרמת Voronoi, המזהה את הצורות המרכיבות פסיפס תלת מימדי. דיאגרמות אלו משמשות בדרך כלל ללימוד דברים כמו בועות בקצף ותאים ברקמות ביולוגיות.

בעבודה הנוכחית, פיסאני ועמיתיה התאימו את ה-Voronoi שלהם כדי לזהות כ-6,000 חללים בנתונים מפרויקט מיפוי גלקטי עצום בשם סקר ספקטרוסקופי תנודה באריון (בּוֹס).

"חללים משלימים לקטלוג הגלקסיות", אמר בנימין וונדלט, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת סורבון בפריז שלא היה מעורב במחקר. "הם דרך חדשה לחקור מבנה קוסמי."

לאחר שפיסאני ועמיתיו קיבלו את מפת החללים שלהם, הם יצאו לראות מה זה יכול לחשוף על היקום המתרחב.

משהו מכלום

כל חלל קוסמי הוא חלון לקונפליקט קוסמי גדול. בצד אחד, יש אנרגיה אפלה, הכוח המסתורי שגורם ליקום שלנו להתרחב מהר יותר. אנרגיה אפלה קיימת אפילו בחלל ריק, ולכן היא שולטת בפיזיקה של הריק. בצד השני של הסכסוך יש כוח המשיכה, שמנסה למשוך את הריק יחד. ואז הגמישות של החומר מוסיפה קמטים לחללים.

פיסאני ועמיתיה, כולל סופיה קונטריני מאוניברסיטת בולוניה, עיצב כיצד התפשטות היקום תשפיע על מספר החללים בגדלים שונים. במודל שלהם, ששמר על קומץ פרמטרים קוסמולוגיים אחרים קבועים, קצב התפשטות איטי יותר יצר צפיפות גבוהה יותר של חללים קטנים ומקומטים יותר. מצד שני, אם ההתפשטות הייתה מהירה יותר והחומר לא התגבש באותה קלות, הם ציפו למצוא יותר חללים גדולים וחלקים.

לאחר מכן השוותה הקבוצה את תחזיות המודל שלה עם תצפיות מסקר BOSS. מתוך כך, הם הצליחו להעריך גם את הגמישות וגם את קבוע האבל.

לאחר מכן הם הציבו את המדידות שלהם עם שתי הדרכים המסורתיות למדידת ערכים אלה. השיטה הראשונה משתמשת בסוג של פיצוץ קוסמי הנקרא סופרנובה מסוג Ia. השני מסתמך על רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB), הקרינה שנותרה מהמפץ הגדול.

נתוני הריק חשפו קבוע האבל שמשתנה בפחות מ-1% מההערכה של CMB. התוצאה של הגמישות הייתה מבולבלת יותר, אבל היא גם התיישרה יותר עם ה-CMB מאשר עם סופרנובות מסוג Ia.

למרבה הפלא, החללים בסקר BOSS קרובים יותר במרחב ובזמן לסופרנובות מסוג Ia עדכניות יותר - מה שהופך את זה קצת למפתיע שמדידות החללים מתואמות יותר עם ה-CMB הקדמון. עם זאת, וונדלט הציע שהתוצאות עשויות לחשוף הבנה חדשה לגבי היקום.

"יש תובנה אחת עמוקה שגורמת לשיער שלי לקום", אמר. בתוך חללים, מבנים מעולם לא נוצרו והתפתחו, ולכן חללים "הם קפסולות זמן של היקום המוקדם".

במילים אחרות, אם הפיזיקה של היקום המוקדם הייתה שונה מהפיסיקה של ימינו, ייתכן שהחללים שימרו אותה.

עתיד ההיעדרות

אחרים חושבים שמוקדם מדי להסיק מסקנות כלשהן מהתוצאות החדשות.

אפילו עם אלפי חללים, פסי השגיאה של המחקר עדיין גדולים מכדי לומר משהו חד משמעי. "ניתוח זה נעשה בצורה טובה מאוד", אמר רות דורר, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת ז'נבה שלא לקח חלק במחקר. אבל, ציין דרר, התוצאות לא הגיעו למובהקות סטטיסטית - עדיין. "אם אליס רוצה להיות במועדון של מדידות מתמיד טובות להפליא של האבל, היא צריכה להגיע למגבלה של 1%, וזה אתגר עצום", אמר דורר.

פיסאני אמרה שהיא רואה ביצירה הוכחה לקונספט. ככל הנראה ייקח עוד עשור - ובעזרתן של משימות עתידיות כמו טלסקופ החלל הרומאי ננסי גרייס של נאס"א ומצפה הכוכבים SPHERex - לצבור מספיק נתונים ריקניים כדי להיות בקנה אחד עם מדידות הסופרנובה CMB וסוג Ia המתנגשות.

דרר גם מציין שאולי הטיעונים האלה - הניסיונות ליישב מתחים קוסמיים - הם כולם מהומה רבה על כלום, ושחילוקי הדעות התצפיתיים יכולים להצביע על מציאות שמדענים לא צריכים לנסות למחוק.

"קבוצות הסופרנובה וה-CMB עושות מדידות שהן מאוד מאוד שונות", אמרה. "אז אולי יש פיזיקה חדשה שמסבירה למה אנחנו לא צריכים לראות את אותו הדבר."

הערת העורך: אליס פיסאני מקבלת מימון מה- קרן סימונס, שמממן גם את המגזין העצמאי הזה. להחלטות המימון של קרן סימונס אין השפעה על הכיסוי שלנו. פרטים נוספים הם ניתן למצוא כאן.