מספרים קוסמיים מתנגשים אתגר את התיאוריה הטובה ביותר שלנו של היקום | מגזין קוונטה

בתחילת שנות ה-2000 נראה היה שהקוסמולוגים פתרו את החידה הגדולה והמורכבת מכולם: איך פועל היקום.

"היה הרגע המדהים הזה שפתאום כל החלקים בקוסמולוגיה התלכדו יחד", אמר ג'יי קולין היל, קוסמולוגית תיאורטית באוניברסיטת קולומביה.

כל הדרכים לחקור את היקום - מיפוי גלקסיות ומבנים גדולים יותר שלהן, צילום פיצוצי כוכבים קטסטרופליים הנקראים סופרנובות, חישוב מרחקים לכוכבים משתנים, מדידת הזוהר הקוסמי השיורי מהיקום המוקדם - סיפרו סיפורים ש"נראו חופפים", אמר היל.

הדבק שהחזיק את הסיפורים זה לזה התגלה כמה שנים קודם לכן, ב-1998: אנרגיה אפלה, כוח מסתורי שבמקום להדביק את הקוסמוס, איכשהו גורם לו להתרחב במהירות רבה יותר במקום להאט עם הזמן. כאשר מדענים כללו משהו קוסמי זה במודלים שלהם של היקום, תיאוריות ותצפיות התחברו. הם ניסחו את מה שמכונה כיום המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה, הנקרא Lambda-CDM, שבו האנרגיה האפלה מהווה כמעט 70% מהיקום, בעוד ישות אפלה מסתורית נוספת - סוג של מסה בלתי נראית שנראית כאינטראקציה עם חומר רגיל בלבד דרך כוח המשיכה - מהווה כ-25%. 5% הנותרים הם כל מה שאנחנו יכולים לראות: הכוכבים, כוכבי הלכת והגלקסיות שאסטרונומים חקרו במשך אלפי שנים.

אבל אותו רגע של שלווה היה רק ​​הפוגה קצרה בין זמנים של מאבק. כאשר אסטרונומים ביצעו תצפיות מדויקות יותר על היקום על פני הזמן הקוסמי, החלו להופיע סדקים במודל הסטנדרטי. כמה מהסימנים הראשונים לצרות הגיעו ממדידות של כוכבים משתנים ו סופרנובות בקומץ גלקסיות סמוכות - תצפיות שבהשוואה לשארית הזוהר הקוסמי, העלו שהיקום שלנו פועל לפי חוקים שונים ממה שחשבנו, ושפרמטר קוסמולוגי מכריע המגדיר כמה מהר היקום מתעופף משתנה כאשר אתה למדוד את זה עם אמות מידה שונות.

לקוסמולוגים הייתה בעיה - משהו שהם כינו מתח, או, ברגעים הדרמטיים יותר שלהם, משבר.

המדידות הסותרות הללו הפכו ברורות יותר רק בעשור לערך מאז הופיעו הסדקים הראשונים. והפער הזה אינו האתגר היחיד למודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה. תצפיות בגלקסיות מצביעות על כך שהדרך שבה מבנים קוסמיים התקבצו יחד לאורך זמן עשויה להיות שונה מההבנה הטובה ביותר שלנו כיצד היקום של היום היה צריך לצמוח מזרעים המשובצים ביקום המוקדם. ואי התאמה עדינה עוד יותר מגיעה ממחקרים מפורטים של האור המוקדם ביותר של היקום.

חוסר עקביות אחרות יש בשפע. "יש הרבה יותר בעיות קטנות יותר במקומות אחרים", אמר אלאונורה די ולנטינו, קוסמולוגית תיאורטית באוניברסיטת שפילד. "זו הסיבה שזה תמוה. כי זה לא רק הבעיות הגדולות האלה".

כדי להפיג את המתחים הללו, קוסמולוגים נוקטים בשתי גישות משלימות. ראשית, הם ממשיכים לבצע תצפיות מדויקות יותר על הקוסמוס, בתקווה שנתונים טובים יותר יגלו רמזים כיצד להמשיך. בנוסף, הם מוצאים דרכים לצבוט בעדינות את המודל הסטנדרטי כדי להתאים לתוצאות הבלתי צפויות. אבל פתרונות אלה הם לעתים קרובות מתוכננים, ואם הם פותרים בעיה אחת הם לעתים קרובות מחמירים אחרים.

"המצב כרגע נראה כמו בלגן גדול", אמר היל. "אני לא יודע מה לעשות עם זה."

אור מעוות

כדי לאפיין את היקום שלנו, מדענים משתמשים בקומץ מספרים, אשר קוסמולוגים מכנים פרמטרים. הישויות הפיזיות שהערכים הללו מתייחסים אליהן הן כולן גלגלי שיניים במכונה קוסמית ענקית, כאשר כל סיביות מחוברות לאחרות.

אחד מהפרמטרים האלה מתייחס לכמה חזק המסה מתקבצת יחד. זה, בתורו, אומר לנו משהו על איך האנרגיה האפלה פועלת, שכן הדחיפה המואצת שלה כלפי חוץ מתנגשת עם כוח המשיכה של המסה הקוסמית. כדי לכמת גושיות, מדענים משתמשים במשתנה שנקרא S₈. אם הערך הוא אפס, אז ליקום אין וריאציה ואין מבנה, הסביר סונאו סוגיאמה, קוסמולוגית תצפיתית באוניברסיטת פנסילבניה. זה כמו ערבה שטוחה וחסרת תכונה, שאין בה אפילו תל נמלים כדי לשבור את הנוף. אבל אם S₈ הוא קרוב יותר ל-1, היקום הוא כמו רכס הרים ענק ומשונן, עם גושים מסיביים של חומר צפוף המופרדים על ידי עמקים של כלום. תצפיות שבוצעו על ידי חללית פלאנק של היקום המוקדם מאוד - שבו זרעי המבנה הראשונים תפסו אחיזה - מוצאות ערך של 0.83.

אבל תצפיות על ההיסטוריה הקוסמית האחרונה לא ממש מתאימות.

כדי להשוות את הגמישות ביקום של היום עם מדידות של קוסמוס התינוקות, חוקרים סוקרים כיצד החומר מתפזר על פני שטחים גדולים של שמים.

התחשבנות בגלקסיות גלויות היא דבר אחד. אבל מיפוי הרשת הבלתי נראית שעליה שוכנות הגלקסיות הללו הוא אחר. כדי לעשות זאת, קוסמולוגים מסתכלים על עיוותים זעירים באור הגלקסיות, מכיוון שהנתיב של האור כשהוא מתארג ביקום מתעוות כשהאור מוסט על ידי עוצמת הכבידה של החומר הבלתי נראה.

על ידי חקר העיוותים הללו (הידועים כעדשת כבידה חלשה), החוקרים יכולים להתחקות אחר התפלגות החומר האפל לאורך הנתיבים בהם עבר האור. הם יכולים גם להעריך היכן נמצאות הגלקסיות. עם שתי פיסות המידע ביד, אסטרונומים יוצרים מפות תלת ממדיות של המסה הנראית והבלתי נראית של היקום, מה שמאפשר להם למדוד כיצד הנוף של המבנה הקוסמי משתנה וגדל עם הזמן.

במהלך השנים האחרונות, שלושה סקרים עם עדשות חלשות מיפו כתמים גדולים בשמים: סקר האנרגיה האפלה (DES), המשתמש בטלסקופ במדבר אטקמה בצ'ילה; סקר קילו-תואר (KIDS), גם הוא בצ'ילה; ולאחרונה, סקר של חמש שנים מה-Hyper Suprime-Cam (HSC) של טלסקופ סובארו בהוואי.

לפני כמה שנים, הסקרים DES ו-KIDS הפיקו S₈ ערכים נמוכים מאלו של פלאנק - מרמזים על רכסי הרים קטנים יותר ופסגות נמוכות יותר ממה שהמרק הקוסמי הקדמון הקים. אבל אלה היו רק רמזים מגרים לפגמים בהבנתנו כיצד מבנים קוסמיים גדלים ומתקבצים. קוסמולוגים נזקקו למידע נוסף וחיכו בקוצר רוח לתוצאות סובארו HSC, שפורסמו בסדרה של חמישה מאמרים בדצמבר.

צוות סובארו HSC סקר עשרות מיליוני גלקסיות המכסות כ-416 מעלות מרובע בשמיים, או שווה ערך ל-2,000 ירחים מלאים. בשטח השמים שלהם, הצוות חישב א S₈ ערך של 0.78 - בהתאם לתוצאות הראשוניות מסקרים מוקדמים יותר, וקטן מהערך הנמדד מהתצפיות של טלסקופ פלאנק על קרינת היקום הקדום. צוות סובארו מקפיד לומר שהמדידות שלהם רק "מרמזות" על מתח מכיוון שהן לא ממש הגיעו לרמת המובהקות הסטטיסטית עליה מסתמכים המדענים, למרות שהם עובדים על הוספת עוד שלוש שנים של תצפיות לנתונים שלהם.

"אם זה S₈ המתח הוא באמת נכון, יש משהו שאנחנו עדיין לא מבינים", אמר סוגיאמה, שהוביל את אחד מניתוחי סובארו HSC.

קוסמולוגים בוחנים כעת את פרטי התצפיות כדי לברר מקורות של אי ודאות. בתור התחלה, צוות סובארו העריך את המרחקים לרוב הגלקסיות שלהם על סמך הצבע הכללי שלהן, מה שעלול להוביל לאי דיוקים. "אם טעיתם את הערכות המרחק [הממוצעות], הייתם משיגים גם כמה מהפרמטרים הקוסמולוגיים שחשובים לכם", אמר חבר הצוות רחל מנדלבאום מאוניברסיטת קרנגי מלון.

נוסף על כך, המדידות הללו אינן קלות לביצוע, עם מורכבויות עדינות בפרשנות. וההבדל בין המראה המעוות של הגלקסיה לצורתה בפועל - המפתח לזיהוי מסה בלתי נראית - הוא לרוב קטן מאוד, אמר דיאנה סקוגנמיגליו של המעבדה להנעת סילון של נאס"א. בנוסף, טשטוש מהאטמוספירה של כדור הארץ יכול לשנות מעט את צורתה של גלקסיה, וזו אחת הסיבות לכך ש-Scognamiglio מוביל ניתוח עדשות חלשות באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א.

הוספת בלבול נוסף, מדענים עם צוותי DES ו-KIDS לאחרונה ניתחו מחדש את המדידות שלהם ביחד ונגזרו an S₈ ערך קרוב יותר לתוצאות פלאנק.

אז בינתיים התמונה מבולגנת. וכמה קוסמולוגים עדיין לא משוכנעים שהשונות S₈ המדידות נמצאות במתח. "אני לא חושב שיש שם רמז ברור לכשל קטסטרופלי גדול שם", אמר היל. אבל, הוא הוסיף, "זה לא בלתי סביר שיכול לקרות משהו מעניין".

איפה סדקים ניכרים

לפני תריסר שנים, מדענים ראו את הרמזים הראשונים לצרות עם מדידות של פרמטר קוסמולוגי אחר. אבל לקח שנים לצבור מספיק נתונים כדי לשכנע את רוב הקוסמולוגים שהם מתמודדים עם משבר מלא.

בקצרה, מדידות של כמה מהר היקום מתרחב היום - המכונה קבוע האבל - אינן תואמות את הערך שמקבלים בעת אקסטרפולציה מהיקום המוקדם. החידה נודעה כמתח האבל.

כדי לחשב את קבוע האבל, אסטרונומים צריכים לדעת כמה רחוקים הדברים. בקוסמוס הסמוך, מדענים מודדים מרחקים באמצעות כוכבים הנקראים משתני Cepheid המשתנים מעת לעת בבהירות. יש קשר ידוע בין כמה מהר אחד מהכוכבים האלה מתנדנד מהבהיר ביותר לקלוש ביותר לבין כמות האנרגיה שהוא מקרין. הקשר הזה, שהתגלה בתחילת המאה ה-20, מאפשר לאסטרונומים לחשב את הבהירות הפנימית של הכוכב, ועל ידי השוואתו למידת הבהירה שהוא נראה, הם יכולים לחשב את המרחק שלו.

באמצעות כוכבים משתנים אלה, מדענים יכולים למדוד את המרחקים לגלקסיות במרחק של עד כ-100 מיליון שנות אור מאיתנו. אבל כדי לראות קצת יותר רחוק, וקצת יותר אחורה בזמן, הם משתמשים בסמן מייל בהיר יותר - סוג מסוים של פיצוץ כוכבים הנקרא סופרנובה מסוג Ia. אסטרונומים יכולים גם לחשב את הבהירות הפנימית של "הנרות הסטנדרטיים" הללו, המאפשרת להם למדוד מרחקים לגלקסיות במרחק מיליארדי שנות אור.

במהלך שני העשורים האחרונים, תצפיות אלה עזרו לאסטרונומים להצביע על מהירות התפשטות היקום הסמוך: בערך 73 קילומטרים לשנייה למגה-פארסק, מה שאומר שכאשר אתה מסתכל רחוק יותר, עבור כל מגה-פארסק (או 3.26 מיליון שנות אור ) של מרחק, החלל עף משם במהירות של 73 קילומטרים לשנייה.

אבל הערך הזה מתנגש עם אחד שנגזר משליט אחר המוטבע ביקום התינוקות.

בהתחלה, היקום שרף פלזמה, מרק של חלקיקים בסיסיים ואנרגיה. "זה היה בלגן לוהט," אמר ויויאן פולין-דטול, קוסמולוגית באוניברסיטת מונפלייה.

שבריר שנייה לתוך ההיסטוריה הקוסמית, התרחשות כלשהי, אולי תקופה של תאוצה קיצונית המכונה אינפלציה, שלחה טלטלות - גלי לחץ - דרך הפלזמה העכורה.

ואז, כשהיקום התקרר, אור שנלכד בערפל הפלזמה היסודי השתחרר לבסוף. האור הזה - רקע המיקרוגל הקוסמי, או CMB - חושף את גלי הלחץ המוקדמים האלה, בדיוק כמו פני השטח של אגם קפוא אוחזים בפסגות החופפות של גלים קפואים בזמן, אמר פולין-דטול.

קוסמולוגים מדדו את אורך הגל הנפוץ ביותר של אותם גלי לחץ קפואים והשתמשו בו כדי לחשב ערך עבור קבוע האבל של 67.6 קמ"ש/מ"ק, עם אי ודאות של פחות מ-1%.

הערכים המבלבלים במיוחד - בערך 67 לעומת 73 - הציתו ויכוח לוהט בקוסמולוגיה שעדיין אינו פתור.

אסטרונומים פונים לסמני מיילים קוסמיים עצמאיים. בשש השנים האחרונות, וונדי פרימן מאוניברסיטת שיקגו (שעבדה על קבוע האבל במשך רבע מאה) התמקדה בסוג של כוכב ישן ואדום שחי בדרך כלל בחלקים החיצוניים של הגלקסיות. שם בחוץ, פחות כוכבים בהירים חופפים ופחות אבק יכולים להוביל למדידות ברורות יותר. באמצעות הכוכבים האלה, פרידמן ועמיתיה מדדו קצב התרחבות של כ-70 קמ"ש/קפ"ק - "מה שלמעשה עולה בקנה אחד עם הקפאידים", אמרה. "אבל זה גם מתאים למדי לרקע המיקרוגל."

כעת היא פנתה לעין האינפרא אדום העוצמתית של JWST כדי לגשת לבעיה. עם עמיתיה, היא מודדת מרחקים לכוכבים אדומים ענקיים אלה ב-11 גלקסיות סמוכות ובמקביל מודדת את המרחקים לקפאידים וסוג של כוכבי פחמן פועם באותן גלקסיות. הם מצפים לפרסם את התוצאות מתישהו באביב הקרוב, אבל כבר, לדבריה, "הנתונים נראים ממש מרהיבים".

"אני מאוד מעוניין לראות מה הם מוצאים", אמר היל, שפועל להבנת מודלים של היקום. האם התצפיות החדשות הללו ירחבו את הסדקים במודל האהוב על הקוסמולוגיה?

דגם חדש?

בעוד התצפיות ממשיכות להגביל את הפרמטרים הקוסמולוגיים המכריעים הללו, מדענים מנסים להתאים את הנתונים למודלים הטובים ביותר שלהם של אופן פעולת היקום. אולי מדידות מדויקות יותר יפתרו את הבעיות שלהם, או אולי המתחים הם רק חפץ של משהו ארצי, כמו מוזרויות של הכלים שבהם נעשה שימוש.

או אולי המודלים שגויים, ויהיה צורך ברעיונות חדשים - "פיסיקה חדשה" -.

"או שלא היינו חכמים מספיק כדי להמציא מודל שמתאים למעשה לכל דבר", אמר היל, או "אולי יש, למעשה, מספר חלקים של פיזיקה חדשה במשחק".

מה הם יכולים להיות? אולי שדה כוח בסיסי חדש, אמר היל, או אינטראקציות בין חלקיקי חומר אפל שעדיין לא הבנו, או מרכיבים חדשים שעדיין אינם חלק מהתיאור שלנו של היקום.

כמה מודלים בפיזיקה חדשים מכווצים את האנרגיה האפלה, ומוסיפים גל של תאוצה קוסמית ברגעים המוקדמים של היקום, לפני שהאלקטרונים והפרוטונים זרמו זה על זה. "אם ניתן היה להגדיל איכשהו את קצב ההתפשטות, רק קצת לזמן מה ביקום המוקדם," אמר מארק קמיונקובסקי, קוסמולוגית מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, "אתה יכול לפתור את המתח האבל."

קמיונקובסקי ואחד מתלמידיו לתואר שני הציעו את הרעיון ב-2016, וכעבור שנתיים הם שרטט כמה חתימות שטלסקופ רקע מיקרוגל קוסמי ברזולוציה גבוהה צריך להיות מסוגל לראות. והטלסקופ הקוסמולוגי של אטקמה, התנוסס על הר בצ'ילה, אכן ראה כמה מאותם אותות. אבל מאז, מדענים אחרים הראו כי המודל יוצר בעיות עם מדידות קוסמיות אחרות.

סוג כזה של מודל מכוונן עדין, שבו סוג נוסף של אנרגיה אפלה עולה לרגע ואז מתפוגג, הוא מסובך מכדי להסביר מה קורה, אמר דראגן הוטרר, קוסמולוגית תיאורטית באוניברסיטת מישיגן. ופתרונות מוצעים אחרים למתח האבל נוטים להתאים אפילו יותר לתצפיות. הם "מכוונים ללא תקווה", הוא אמר, כמו סיפורים שהם ספציפיים מדי מכדי להיות בקנה אחד עם הרעיון ארוכת השנים שתיאוריות פשוטות יותר נוטות לנצח את התיאוריות המורכבות.

נתונים שיגיעו בשנה הבאה עשויים לעזור. ראשונים יהיו התוצאות מהצוות של פרידמן בוחן בדיקות שונות של קצב ההתרחבות הסמוך. ואז באפריל, החוקרים יחשפו את הנתונים הראשונים מסקר השמיים הקוסמולוגי הגדול ביותר עד כה, המכשיר הספקטרוסקופי של אנרגיה כהה. בהמשך השנה, צוות הטלסקופ הקוסמולוגי של Atacama - וחוקרים שיצרו מפת רקע קדמונית נוספת באמצעות טלסקופ הקוטב הדרומי - יפרסמו את התוצאות המפורטות של רקע המיקרוגל ברזולוציה גבוהה יותר. תצפיות באופק הרחוק יותר יבואו מ-Euclid של סוכנות החלל האירופית, טלסקופ חלל ששוגר ביולי, וממצפה הכוכבים Vera C. Rubin, מכונת מיפוי שמימית שנבנית בצ'ילה, שתפעל במלואה ב-2025.

היקום אולי בן 13.8 מיליארד שנים, אבל החיפוש שלנו להבין אותו - ואת מקומנו בתוכו - עדיין בחיתוליו. כל דבר בקוסמולוגיה התאים זה לזה רק לפני 15 שנה, בתקופה קצרה של שלווה שהתבררה כתעתוע. הסדקים שהופיעו לפני עשור התפצלו לרווחה, ויצרו שסעים גדולים יותר בדגם האהוב על הקוסמולוגיה.

"עכשיו," אמר די ולנטינו, "הכל השתנה."

הערת העורך: מדענים מרובים שהוזכרו במאמר זה קיבלו 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.