[עושים היסטוריה] 339: שממות קוסמיות (Cosmic Voids), או - הפרק על כלום

[עושים היסטוריה] 339: שממות קוסמיות (Cosmic Voids), או - הפרק על כלום

כשאנחנו חושבים על היקום שלנו, אנחנו לרוב חושבים על כוכבים וגלקסיות. אבל במציאות, כ-95% מהיקום שלנו הם למעשה...כלום: שממות אדירות ורחבות ידיים, שמגמדות כל מבנה אחר ביקום. מה חשיבותן של השממות הריקות האלה, וכיצד הן עוזרות לנו לחקור את האנרגיה האפלה המסתורית? מהי 'הנקודה הקרה', וכיצד עשויות השממות לפתור את אחד המשברים החמורים בתולדות האסטרונומיה המודרנית?

האזנה נעימה,
רן.

[עושים היסטוריה] 339: שממות קוסמיות (Cosmic Voids), או - הפרק על כלום
00:00 / 01:04
  • Facebook
  • Twitter
  • Instagram
הרשמה לרשימת תפוצה בדוא"ל | אפליקציית עושים היסטוריה (אנדרואיד) | iTunes

שממות קוסמיות (Cosmic Voids), או - הפרק על כלום

כתב: רן לוי

לפני מספר חודשים, בקיץ של שנת 2020, לקחתי אהל, כמה כסאות מתקפלים וטאבון קטן ממתכת, הכנסתי את האישה והילדים לבאגז' - וירדנו למדבר לצפות במטר המטאורים: מטר הפרסאידים, שעליו סיפרתי לכם בפרק אחר של עושים היסטוריה. היה די נחמד! ראינו המון כוכבים נופלים, סיפרתי לילדים על כוכבי הלכת ומערכות הכוכבים ואכלנו פיתות שעשינו בטאבון. בשלב מסוים כולם התעייפו והלכו לישון, ואני נשארתי לבד. נשענתי לאחור על הכיסא המתקפל, הרמתי את הראש לשמיים והבטתי בפס הערפילי של שביל החלב.


ראיתי את שביל החלב כבר כמה וכמה פעמים בעבר, אבל הפעם חלפה במוחי מחשבה חדשה. אני לא יודע למה: אולי זה בגלל האוויר המדברי הקריר, אולי היין ששתיתי, אולי הייתי צריך להשאיר את הפיתות על הטאבון עוד כמה דקות - הילדים באמת אמרו שזה לא מספיק מוכן - אבל בכל מקרה, הפעם חוויתי את שביל החלב בתלת מימד.


אני אסביר למה אני מתכוון. כשאנחנו מביטים בשמי הלילה, אנחנו בדרך כלל תופסים אותם בדו-מימד. זאת אומרת, מבחינה שכלתנית אנחנו יודעים שכדור הארץ נע בתוך חלל תלת-מימדי, אבל כשמביטים בשמיים - אין מימד של עומק. לצורך העניין, אם הייתי יכול לעטוף את כדור הארץ בחתיכת נייר ענקית שעליה מודפסים הכוכבים והערפיליות בצורה ממש ממש משכנעת - היה לכם קשה לגלות שאתם מביטים בדף דו-מימדי ולא בחלל תלת-מימדי.


אבל הפעם, הצלחתי לדמיין את שביל החלב - בתלת מימד. איך? ובכן, עצמתי עיניים, ודמיינתי שאני יושב בכסא המתקפל שלי על צוק גבוה בהר הכרמל, ומביט על חיפה פרושה מתחתי. ראיתי בעיני רוחי את הבניינים של העיר, וכיצד הם הולכים ונעשים קטנים יותר ככל שהם מתקרבים אל האופק. ואז פתחתי את העיניים, הרמתי את הראש - והסתכלתי על שביל החלב. דמיינתי את הגלקסיה שלנו כאילו שהיא מעין "עיר" גדולה הנמצאת הרחק על קו האופק. זאת אומרת, מיקמתי אותה במרחב התלת-מימדי שנפרש מתחת לצוק הדמיוני שלי. עכשיו, אני יודע שגלקסיית שביל החלב היא ענקית: קטורה כמאתיים אלף שנות אור. שאלתי את עצמי - כמה רחוקה צריכה להיות שביל החלב כדי שאוכל לראות את כמעט כל הרוחב הזה, מאתיים אלף שנות אור, פרושים לנגד עיני במלואם על קו האופק? ואז, ברגע הזה, זה היכה בי. פתאום הבנתי, ממש קלטתי, את קנה המידה האמיתי של הגלקסיה שלנו: כמה שאנחנו באמת באמת קטנים וזעירים ביחס ליקום, ואת המרחקים האדירים שבין הכוכבים. זו הייתה חוויה כמעט מיסטית.

חוק האבל

שרטוט המבנה התלת-מימדי של היקום שלנו - מעבר לגבולות מערכת השמש ואפילו מעבר לגבולות הגלקסיה שלנו - היה מאז ומתמיד אתגר לא פשוט עבור האסטרונומים. כשאני מביט בעצם שנמצא על השולחן שלי, אני יכול להעריך את המרחק אליו מכיוון שאני מביט בו דרך שתי העיניים - ומתוך שתי נקודות המבט האלה, המוח יכול להסיק את מימד העומק של התמונה. אבל כשאנחנו צופים בעצמים רחוקים מאוד דרך הטלסקופ יש לנו רק נקודת תצפית אחת - כאילו כיסינו את אחת העיניים שלנו ברטיה. נאמר, למשל, שאנחנו צופים בשתי גלקסיות שנראות לנו פחות או יותר באותו הגודל. איך נדע אם מדובר בשתי גלקסיות דומות שנמצאות בערך באותו המרחק מכדור הארץ, או שאולי אחת מהן היא גדולה ורחוקה - והשניה היא קטנה, אבל קרובה יותר? בלעדי מימד העומק, קשה למקם את העצמים המרוחקים האלה במרחב התלת-מימדי.


אבל בשנות העשרים של המאה העשרים חלה פריצת דרך חשובה בתחום הזה. אדווין האבל (Hubble), אחד מבכירי האסטרונומים של תקופתו, הבחין בעובדה שכל הגלקסיות שהוא צופה בהן נעות מכדור הארץ והלאה - ואולי יותר מעניין, ככל שגלקסיה רחוקה יותר מאיתנו, כך היא מתרחקת מאיתנו מהר יותר. לצורך הדוגמה - גלקסיה במרחק של שלושה מיליון שנות אור תתרחק מאיתנו במהירות של 100 קילומטרים בשניה, בעוד שגלקסיה במרחק של שישה מיליון שנות אור תתרחק במהירות של 200 קילומטרים בשניה. התגלית הזו זכתה לשם 'חוק האבל', והובילה לעלייתה של תאוריית 'המפץ הגדול' לפיה היקום שלנו החל כחלקיק זעיר שהתפוצץ לפני כשארבעה עשר מיליארדי שנים, ומאז הוא הולך ומתרחב בהתמדה. הקדשתי בעבר שני פרקים לסיפורה של תאוריית המפץ הגדול - פרקים 166 ו-167.


לתגליתו של האבל היה שימוש חשוב נוסף: היא נתנה בידי האסטרונומים כלי יעיל מאוד למדידת המרחקים בינינו ובין אותן גלקסיות מרוחקות. חוק האבל יוצר קשר הדוק וחד משמעי בין המרחק אל גלקסיה ומהירות ההתרחקות שלה מאיתנו - ומכאן שאם אנחנו יודעים מה מהירותה של הגלקסיה, אנחנו יכולים גם לאמוד גם את המרחק אליה.


למרבה המזל, יש דרך פשוטה ואמינה יחסית למדוד את מהירות תנועתן של הגלקסיות: שיטה המכונה 'הסחה לאדום' (Redshift). מבלי להיכנס להסברים מעמיקים כרגע, אומר שהשיטה הזו מבוססת על העובדה שאור שנפלט מעצם נע - עובר שינוי מסוים בתדר שלו. אם אנחנו יודעים מראש מהו תדר האור שאמור להיפלט מכוכב כלשהו, ומשווים את את התדר הצפוי הזה לתדר שמדדנו בפועל - ניתן להסיק מההבדל בין התדרים את מהירות תנועתו של הכוכב. זה קצת דומה למצב שבו אשתי חוזרת הביתה עם לק על הציפורניים: אם אני יודע שהיא יצאה מהבית בלי לק, אני יכול להסיק מכך שהיא ביקרה אצל הבחורה של הלק-ג'ל. זו, כמובן, דוגמה לא מציאותית: אשתי יכולה לחזור הביתה עם תסרוקת חדשה, נעליים חדשות, תיק חדש וחצי פנים צבועות בירוק ואני עדיין לא אשים לב.


כאמור, חוק האבל ושיטת ההסחה לאדום נתנו בידי האסטרונומים דרך חדשה למדוד את המרחק אל גלקסיות מרוחקות. מדידות ראשוניות שנערכו בשנות הארבעים והחמישים העלו שבניגוד למה שחשבו האסטרונומים קודם לכן, הגלקסיות ביקום לא מפוזרות בצורה אקראית ופחות או יותר אחידה - כמו, נאמר, שקדי מרק שצפים בתוך צלחת - אלא הן מתקבצות לקבוצות שיכולות להכיל עד כדי חמישים גלקסיות כל אחת. גם הקבוצות האלה, מסתבר, לא מפוזרות ביקום באקראי - אלא מתקבצות בעצמן למה שמכונה 'צבירים' (Clusters) של עד אלפי גלקסיות.

המבנה התלת-מימדי של היקום

בשנות השבעים של המאה העשרים נכנסו לשימוש טכנולוגיות מתקדמות יותר שאפשרו לחוקרים לערוך את מה שמכונה 'סקרי הסחה לאדום' (Redshift Survey): תצפיות אסטרונומיות שלא מתמקדות על כוכב או גלקסיה ספציפית, אלא מודדות את ההסחה לאדום של אלפי גלקסיות וצבירי גלקסיות, פחות או יותר בו זמנית. הסקרים האלה חשפו את העובדה שגם צבירי הגלקסיות מתקבצים, למעשה, לצבירי-על (Super Clusters) שרוחבם נע בין מאה לארבע מאות מיליון שנות אור - ושצבירי-העל בעצמם מתחברים למבנים ארוכים וצרים המכונים 'נימים' (filaments), שעשויים להגיע לאורך של שמונה מאות מיליון שנות אור. אם נים גלקטי הוא במקרה רחב מאוד, אנחנו אומרים שהוא 'קיר של גלקסיות' (Wall of Galaxies).


זהו, אם כן, המבנה התלת-מימדי של היקום שלנו: הוא מזכיר מאוד גוש מוצק של גבינה שוויצרית - הגבינה עם החורים - כשאת מקומה של הגבינה באנלוגיה שלנו תופסים צבירים, נימים וקירות שעשויים ממיליונים על גבי מיליונים של גלקסיות.


זו, ללא ספק, תובנה מרתקת - אבל לא על זה אני רוצה לדבר. אני רוצה שתתעלמו לרגע מהנימים והקירות - ותמקדו את מבטכם דווקא בחורים של הגבינה. אמנם דימיתי את היקום שלנו לגבינה שוויצרית - אבל כדי שהדימוי הזה יהיה מוצלח באמת, אנחנו צריכים לשנות אותו מעט. קחו את הגוש המוצק הזה, ותגדילו את החורים על חשבון הגבינה. תגדילו עוד. עוד. צמצמו את הנפח שתופסת הגבינה בגוש הזה, עד שהיא הופכת להיות דקה כמעט כמו קורי עכביש. אם הייתם קונים גבינה כזו בסופר הייתם מתאכזבים מאוד, כיוון שהגבינה שלנו היא כעת תשעים, תשעים וחמישה אחוזים של חורים - ורק אחוזים בודדים של גבינה.


וזה, רבותי, המבנה האמיתי היקום שלנו. כשאנחנו חושבים על היקום, אנחנו בדרך כלל חושבים על כוכבים וגלקסיות - אבל האמת היא שרוב רובו של היקום הוא למעשה חללים ריקים עצומים, שאנחנו מכנים אותם בשם Cosmic Voids. לא מצאתי תרגום רשמי למונח הזה בעברית, אז ברשותכם אמציא אחד כזה בעצמי: 'שממות קוסמיות.'


קחו לעצמכם כמה שניות לעכל את סדרי הגודל שאנחנו מדברים עליהם כאן. קיר של גלקסיות הוא מבנה ענק, גדול יותר מכפי שאי פעם נוכל לעכל או להפנים: מיליונים על גבי מיליונים של גלקסיות. אבל הנימים והקירות האלה הם בסך הכל כמו יריעות הסבון הדקות שעוטפות בועות סבון גדולות - ובועות הסבון האלה הן הן השממות הקוסמיות. מדובר בחללים אדירים של...כלום.

שממת בו-ווטס

לא כלום 'מוחלט': ההגדרה הרשמית של 'שממה קוסמית' היא אזור שבו צפיפות החומר היא לכל היותר עשירית מצפיפות החומר הממוצעת של היקום, משמע פה ושם אפשר למצוא משהו בתוך השממות הכבירות האלה. אבל 'משהו', בהקשר הזה, הוא מושג מאוד יחסי.


אולי כדאי שאתן לכם דוגמה מוחשית יותר. ב-1981 נתגלה אזור ריק שכזה במרחק של כשבע מאות מיליון שנות אור מהגלקסיה שלנו, והוא קיבל את השם 'שממת בו-ווטֵס' (Bootes Void). שממת בו-ווטס היא חלל כמעט כדורי שקוטרו כשלוש מאות ושלושים מיליון שנות אור. אם שממת בו-ווטס הייתה מכילה חומר בצפיפות הממוצעת של היקום, היינו מצפים למצוא בה לפחות כמה אלפי גלקסיות - אבל בפועל, נתגלו בה רק שישים גלקסיות בלבד. שישים איים זערוריים של חומר, בתוך אוקיינוס ענק, ריק ושחור. אחד הפיזיקאים שחקר את שממת בו-ווטס אמר שלוּ גלקסיית שביל החלב הייתה נמצאת בלב שממת בו-ווטס, לא היינו יודעים בכלל שיש גלקסיות אחרות ביקום עד לכל הפחות שנות השישים של המאה העשרים: רק אז טכנולוגיית הטלסקופים שלנו הייתה משוכללת מספיק כדי לגשר על המרחבים העצומים. החלל החיצון הוא גדול וריק - אבל שממות קוסמיות נותנות משמעות חדשה למושגים האלה. אין שום דבר במציאות שמקיפה אותנו, לפחות ככל הידוע לנו היום, שהוא יותר גדול ויותר ריק - משממות קוסמיות.


גילויה של שממת בו-וואטס הימם את האסטרונומים. עצם קיומן של השממות הקוסמיות הוכח מספר שנים קודם לכן, בשלהי שנות השבעים - אבל בו-וואטס הייתה גדולה מכפי שמישהו העז לדמיין: ממש על הגבול של מה שנחשב כאפשרי, מבחינה תיאורטית. מדוע? כדי להבין את זה, בואו נדבר קודם כל על האופן שבו נוצרו השממות הקוסמיות.

מקורן של השממות הקוסמיות

אולי תופתעו לשמוע, אבל מקורן של השממות הקוסמיות הוא כבר בדקות הראשונות לאחר המפץ הגדול - עידן שבו היקום היה אולי הדבר הרחוק ביותר שאפשר לדמיין מ'שממה' כזו או אחרת. היקום היה עשוי מפלסמה רותחת - 'מרק' לוהט ודחוס של חלקיקים שמילא את היקום באופן כמעט אחיד. אבל פה ושם היו במרק הזה אזורים מעט דחוסים יותר. אנחנו מדברים על הבדלי צפיפות זערוריים מאוד, שברירי אחוזים בלבד - אבל הבדלי הצפיפות האלה היו משמעותיים מספיק כדי לגרום לחלקיקים באותם אזורים צפופים להמשך זה לזה, תחת השפעת כוח המשיכה ההדדי. הדחיסה הזו, כמו שקורה בכל גז, גרמה לעלייה בטמפרטורה - וההתחממות הזו, בתורה, דחפה את החלקיקים בכיוון ההפוך: להתרחב, במקום להצטופף - ממש כפי שאוויר חם גורם לכדור פורח להתנפח. כשגוש החלקיקים התרחב - הטמפרטורה ירדה, ואז שוב כוח המשיכה השתלט על העניינים וגרם לחלקיקים לשוב ולהידחס.


התהליך הזה של התכווצות, התרחבות ואז שוב התכווצות, החל לחזור על עצמו באופן מחזורי. אם היינו יכולים להסתכל על הסיפור הזה מבחוץ, גלי הדחיסה המחזוריים הללו היו מזכירים לנו אדוות מים שמתפשטות על פני בריכה, או לחילופין גלי קול שמתפשטים באוויר. מכאן גם השם שניתן לתופעה הזו: 'אוסילציות אקוסטיות.'


שלוש מאות ושמונים אלף שנה מאוחר יותר, היקום הצעיר התקרר לרמה שאפשרה לאטומים הראשונים להיווצר. באזורים שבהם התרחשו אוסילציות אקוסטיות שכאלה, הגלים ההולכים ומתפשטים דחפו את האטומים החוצה, אל קצוות הבועות. במילים אחרות, רוב האטומים של היקום הצטופפו באזורים שבין הבועות - וכך קיבלנו מבנה שמזכיר גבינה שוויצרית.


מיליארדי שנים חלפו, היקום גדל והתרחב - והבועות הראשוניות האלה גדלו לכדי חללים עצומים ברוחב של מאות מיליוני שנות אור. האטומים שבין החללים האלה התגבשו לכדי כוכבים, גלקסיות וצבירי גלקסיות, ואלה משכו אליהם את האטומים המעטים יחסית שעדיין נשארו בתוך הבועות הגדולות. במילים אחרות, כוח המשיכה שהפעילו צבירי הגלקסיות "גנב" עוד ועוד חומר מתוך החללים האלה - עד שכמעט ולא נשאר בתוכם כלום. כך קיבלנו את השממות הקוסמיות רחבות ידיים שאנחנו רואים היום.


בחזרה לשממת בו-וואטס. הבעיה עם שממת בו-וואטס היא שהיא גדולה מדי מכדי שהתהליך ההדרגתי של 'גניבת חומר' מתוך הבועה יספיק להתרחש בזמן שחלף מאז המפץ הגדול. תחשבו על זה ככה: נניח שיש לנו כדור-ים מתנפח, ואנחנו רוצים להוציא ממנו את האוויר. אז אנחנו פותחים את הפקק - ומחכים. האוויר בורח החוצה מהכדור, אבל זה לוקח זמן עד שכל האוויר יוצא החוצה. אותו הדבר גם במקרה של שממת בו-בוואטס: כוח המשיכה שמפעילות הגלקסיות במעטפת על החומר שבתוך הבועה הוא חלש יחסית, ולוקח הרבה זמן למשוך את כל האטומים שבתוכה החוצה. כשמדובר בשממה בגודל של בו-וואטס, לא חלף מספיק זמן מאז המפץ הגדול כדי לרוקן את כל הבלון הזה! אז מה עושים? איך בכל זאת נוצרה שממת בו-וואטס הענקית?


התשובה נתגלתה כשבחנו המדענים את אותן שישים הגלקסיות שבכל זאת נותרו בתוך שממת בו-וואטס. מסתבר שהגלקסיות האלה לא מפוזרות בשממה באופן אקראי, אלא מצטופפות פחות או יותר במרכזה, במבנה שמזכיר גליל צר או שפופרת. מהמבנה הזה הסיקו החוקרים שככל הנראה שממת בו-וואטס היא למעשה 'סופר-שממה' (Supervoid) שנוצרה כתוצאה מהתמזגות של שתי שממות קטנות יותר - כמו שתי בועות סבון שהתמזגו לכדי בועה אחת גדולה. הגלקסיות שאנחנו רואים בתוך שממת בו-וואטס הן שאריות של הגלקסיות שהיו על המעטפות של שתי השממות המקוריות.

אנרגיה אפלה

אז יש לנו תשובה לגבי אופן היווצרותה של סופר-שממת בו-וואטס. אבל חלפו שבע שנים בלבד לפני שהמדענים ניצבו בפני תעלומה נוספת שקשורה בשממות - והפעם, תעלומה אפילו משונה יותר.


ב-1988 נתגלתה סופר-שממה חדשה וענקית, שממדיה גימדו אפילו את שממת בו-וואטס: חלל ריק בקוטר של - שימו לב לזה - מיליארד שנות אור. פי שלושה מבו-וואטס! השם שניתן לשממה החדשה הזו הוא - אולי באופן לא מפתיע - 'השממה הענקית' (Giant Void). שממה גדולה כל כך קשה להסביר אפילו במונחים של התמזגות של שממות קטנות יותר, שהרי גם התהליך של התמזגות שממות דורש זמן, ושוב - היקום לא קיים מספיק זמן כדי לאפשר אותו. כיצד, אם כן, נוצרה השממה הענקית?

במשך למעלה מעשור תרו המדענים אחר תשובה לשאלה הזו - עד שמצאו אותה ב-1998, בזכות תגלית אחרת.


שתי קבוצות חוקרים שבחנו, כל אחת בנפרד, את האור שנפלט מסופרנובות מרוחקות מאוד - הגיעו למסקנה המפתיעה שלא רק שהיקום שלנו הולך ומתרחב, כפי שטען אדווין האבל בזמנו - אלא הוא אפילו מתרחב באופן מואץ, דהיינו בקצב הולך וגובר.

כדי להבין את זה, דמיינו לעצמכם שאתם זורקים אבן גבוה אל השמיים. האבן מטפסת ועולה: זו תנועה ששקולה למה שגילה האבל - שהגלקסיות מתרחקות מאיתנו, כפי שהאבן מתרחקת מאיתנו. עכשיו, כוח המשיכה של כדור הארץ פועל על האבן ומושך אותה, ולכן האבן הולכת ומאטה בהדרגה. באותו האופן, היינו מצפים שהגלקסיות המרוחקות, שגם הן מושפעות מכוח המשיכה של חומר שנמצא מאחוריהן, יילכו ויאטו את תנועתן בהדרגה - אבל זה לא מה שקורה: במקום להאט, הן מאיצות עוד יותר! זה ממש כאילו שהאבן שזרקנו לשמים, במקום להאט - תלך ותצבור מהירות עד שתברח מכדור הארץ לגמרי ותצא לחלל. מאוד מאוד משונה.


מה גורם ליקום שלנו להמשיך ולהתרחב בקצב מואץ? אף אחד לא יודע. הנחת העבודה של החוקרים היא שישנו כוח מסתורי שדוחף את היקום מבפנים וגורם לו להתרחב. הכוח הזה קיבל את השם 'אנרגיה אפלה' (Dark Energy), אבל עד כה לא הצלחנו למצוא עדויות מוחשיות לקיומו כאן, על כדור הארץ.


אחד הקשיים הגדולים בחקר האנרגיה האפלה הוא העובדה שגם אם היא אכן קיימת, קשה מאוד לחקור אותה מכיוון שהיא חלשה מאוד - הרבה יותר חלשה, למשל, מכוח המשיכה. לצורך הדוגמה, ההתרחבות שיוצרת האנרגיה האפלה אמורה לגרום לגלקסייה אנדרומדה, הגלקסייה השכנה שלנו, להתרחק משביל החלב במהירות של כחמישים קילומטרים בשניה. אבל כוח המשיכה בין שתי הגלקסיות חזק בהרבה מהאנרגיה האפלה, ולכן במקום להתרחק - אנדרומדה דווקא נעה לקראת הגלקסייה שלנו ואף תתנגש בה בעוד אי אלו מיליארדי שנים. במילים אחרות, במקומות שבהם יש כוח משיכה משמעותי, קשה מאוד להבחין בהשפעותיה של האנרגיה האפלה - באותו האופן שבו קשה להבחין בנר אחד קטן אם הוא עומד בסמוך למדורה ענקית.


אבל יש ביקום שלנו מקומות שבהם כוח המשיכה כמעט ולא משחק תפקיד. יכולים לנחש היכן המקומות האלה? נכון - שממות קוסמיות. מעצם העובדה ששממות קוסמיות הן כמעט ריקות לגמרי מכל חומר - אין בהן מי שיצור כוח משיכה, וזה אומר שאין מה שיתנגד לכוחה של האנרגיה האפלה. המדבריות הקוסמיים הענקיים האלה הם 'מגרש המשחקים הפרטי' של האנרגיה האפלה, ושם למעשה מתרחשת ההתרחבות האמיתית של היקום.


זה גם הפתרון לעצם קיומה של 'השממה הענקית', על מיליארד שנות האור שלה: מדובר, כנראה, בשממה שהייתה גדולה למדי מלכתחילה - אבל האנרגיה האפלה שמפעמת בתוכה מתחה והרחיבה אותה עוד ועוד - עד לגודלה הנוכחי. מבחינת המדענים שחוקרים את האנרגיה האפלה, השממות הקוסמיות הן מתנה משמיים: הן מאפשרות להם לצפות ולמדוד את השפעותיה ותכונותיה של האנרגיה האפלה, ללא הפרעה מצד כוח המשיכה. למשל, הם מנסים להעזר בשממות הקוסמיות כדי למדוד את השינויים, אם ישנם, בצפיפות של האנרגיה האפלה. אם צפיפות האנרגיה האפלה משתנה עם הזמן, תהיה לכך השפעה על המהירות שבה מתרחב היקום - ואולי גם על גורלו הסופי בעוד מיליארדי שנים.

הנקודה הקרה

וישנן עוד שתי תעלומות מרתקות שהשממות הקוסמיות עשויות לפתור עבורנו. התעלומה הראשונה מכונה 'הנקודה הקרה' (The Cold Spot).


המפץ הגדול שגרם להיווצרות היקום השאיר אחריו שרידים בדמות גלים אלקטרומגנטיים בתדר נמוך, שאנחנו מכנים בשם 'קרינת הרקע הקוסמית' (Cosmic Background Radiation). הקרינה הזו מקיפה אותנו מכל הכיוונים, והטמפרטורה שלה די אחידה: בערך 2.7 מעלות מעל האפס המוחלט, פלוס מינוס 18 מיקרו-קלווין (דהיינו, 18 מיליוניות המעלה). בתחילת שנות האלפיים נתגלה אזור מסוים בשמיים שהטמפרטורה של קרינת הרקע בו נמוכה בשבעים ואפילו מאה וארבעים מיליוניות המעלה מאותו ממוצע. נכון, זה נשמע כמו הבדל זעום וזניח לחלוטין: מה זה משנה, עוד כמה עשרות מיליוניות של מעלה לכאן או לכאן?... אבל העניין הוא שלמרות שמדובר לכאורה בהבדל זעום - הוא לא אמור להיות שם. זה כמו שהייתם רואים את חבר שלכם מרחף ס"מ אחד מעל הקרקע. נכון, ס"מ אחד זה ממש קצת - אבל ביקום שלנו, חברים, יש חוקים- ולפי החוקים האלה והחבר לא אמור לרחף בכלל, נקודה. אותו הדבר נכון גם לגבי הנקודה הקרה: אמנם מדובר בהבדל זעום לכאורה, אבל על פי חוקי הפיזיקה הידועים לנו, הסבירות הסטטיסטית לקיומה של נקודה קרה שכזו היא זעומה מאוד, כך שלא סביר שמדובר באיזו פלוקטואציה אקראית של הטמפרטורה.


המדענים העלו כל מיני השערות לגבי מקורה של הנקודה הקרה. למשל, יש חוקרת שהציעה שאולי מדובר בנקודת ממשק בין היקום שלנו - ליקום מקביל שאולי נמצא מעבר לנקודה הקרה. זו השערה נועזת מאוד, שכפי שאתם יכולים לשער - אם היא נכונה, יהיו לה השלכות מדהימות על האופן שבו אנחנו מבינים את היקום שלנו.


אבל אולי יש הסבר פשוט יותר. האנרגיה האפלה, כפי שציינתי קודם, פועלת ביתר שאת בתוך שממות קוסמיות, והיא גורמת לחלל שבתוך שממה קוסמית להתרחב. בניסוח אחר, היא גורמת לכך שמרחב חדש נוצר בתוך השממות הקוסמיות. כן, אני יודע, זה משונה, אבל זה היקום שאנחנו חיים בתוכו. לא טוב לכם, תחזירו לחנות, תבקשו חדש. בכל אופן, כשקרינה - כמו קרינת הרקע הקוסמית - עוברת דרך חלל מתרחב שכזה, היא חווה את ההתרחבות הזו כסוג של התקררות. משמע, אם בינינו ובין הנקודה הקרה ישנה שממה קוסמית, יכול להיות שהטמפרטורה החריגה שאנחנו מודדים היא בסך הכל תוצאה של התקררות הקרינה כשהיא עוברת דרך המרחב המתרחב בדרכה אלינו. על פי החישובים, השממה המדוברת צריכה להיות גדולה פחות או יותר כמו 'השממה הענקית' - דהיינו, בקוטר של כמיליארד שנות אור, פחות או יותר. נכון להיום עדיין אין הוכחות מוחלטות לקיומה של שממה כזו, אבל המדענים תרים אחריה בכל האמצעים שעומדים לרשותם.

משבר האבל

את התעלומה השניה השארתי לסוף, כיוון שהיא התעלומה הגדולה והחשובה ביותר: תעלומה שאם נצליח לפתור אותה, ייתכן ותהיה לה השפעה דרמטית על הפיזיקה כולה - דומה, אולי, להשפעה שהייתה לתורת היחסות על הפיזיקה לפני מאה ועשרים שנה.


זה התחיל לפני כמה עשרות שנים. הפיזיקאים מנסים מזה זמן רב לחשב את גילו של היקום, ולצורך כך הם נעזרים בשתי שיטות שנגענו בהן קודם.


הראשונה מדידת האור שנפלט מסופרנובות ומ'כוכבים משתנים' - סוג מסוים של כוכבים שהבהירות שלהם משתנה באופן מחזורי. לפי השיטה הזו, גילו החוקרים, גילו של היקום הוא כ-13.2 מיליארד שנה, פלוס מינוס. השיטה השניה היא מדידת עוצמתה של קרינת הרקע הקוסמית שהכרנו קודם: אותם שרידים עמומים מימי המפץ הגדול. לפי השיטה הזו, גילו של היקום הוא כ-14.5 מיליארד שנה, פלוס מינוס.


יש לנו כאן בעיה: שתי שיטות מדידה שונות שמובילות לשתי תוצאות שונות. לא טוב - אבל אתם יודעים מה...זו לא הייתה בעיה *כל כך* חמורה. מדוע? בגלל התוספת הקטנה הזו - 'פלוס-מינוס.' הרי במציאות, אין מדידה פיזיקלית מושלמת. לשם הדוגמה, אם אבקש משני אנשים שונים למדוד את הגובה שלי, כנראה שאקבל תשובות דומות - אבל לא זהות: כל אחד ימדוד עם סרגל אחר ובצורה אחרת, וההבדלים הזעירים האלה יובילו להבדלים קטנים במדידה: כמה מילימטרים לכאן או לכאן. ואם במדידה פשוטה וקלה כמו מדידת גובה ישנן תמיד שגיאות זעירות, על אחת כמה וכמה כשמדובר במדידות של סופרנובות רחוקות או גלים אלקטרומגנטיים חלשים. המדענים קיוו שההבדל בתוצאות בין שתי שיטות המדידה נובע מטעויות מדידה קטנות, וברגע שיהיו לנו מכשירי מדידה טובים ומדוייקים יותר, שתי השיטות יפיקו תוצאה זהה.


אבל זה לא מה שקרה. בשנת 2018 התפרסם מחקר שהתבסס על מדידות של קרינת הרקע הקוסמית שערך טלסקופ חלל בשם Planck, מדידות שהיו מדויקות יותר מאי פעם. שנה לאחר מכן, ב-2019, התפרסם מחקר שניתח תצפיות של טלסקופ החלל על שם האבל, על האור הנפלט מכוכבים משתנים: שוב, המדידות הכי מדויקות אי פעם. אבל במקום שהמדידות המדויקות האלה יגרמו לתשובות הסותרות לגבי גיל היקום להתכנס לתשובה אחת משותפת - קרה בדיוק ההפך! שגיאות המדידה אמנם הצטמצמו מאוד, אבל בכל זאת שתי השיטות מובילות לשתי תוצאות שונות - שני גילאים שונים של היקום.


אם כן, משהו מאוד מאוד מוזר מתרחש כאן. זה כאילו שנתתי לשני האנשים שמודדים את הגובה שלי שני סרגלים סופר-מדוייקים, ובכל זאת כל אחד מהם מקבל תוצאה שונה. ואם שתי מדידות בלתי תלויות מגיעות לשתי תוצאות שונות בתכלית, זה אומר אחד משני דברים.


אפשרות ראשונה היא שאחת משיטות המדידה האלה סובלת מבעיה עקרונית ועמוקה מאוד: למשל, אולי אנחנו לא מודדים נכון את האור שנפלט מסופרנובות, או את הטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית. אבל זה לא ממש סביר: שתי השיטות הללו משמשות את המדענים בהצלחה רבה, כבר עשרות רבות של שנים. מה הסיכוי שנגלה באחת מהן שגיאה עמוקה ועקרונית?

האפשרות השניה היא שמשהו לא בסדר בתמונת העולם הפיזיקלית שלנו. משהו באופן שבו אנחנו מבינים את היקום - לא נכון. למשל, אולי כוח המשיכה שאנחנו מכירים כאן, בכדור הארץ, מתנהג אחרת באותן גלקסיות מרוחקות - או שאולי קרינת הרקע הקוסמית בכלל לא מעידה על מה שהתרחש כשהיקום היה עדיין צעיר. אם האפשרות הזו נכונה, זה אומר שכמה מהנחות היסוד הבסיסיות ביותר של הפיזיקה המודרנית לא נכונות, ואולי אנחנו צריכים לחשוב מחדש על תיאוריות ותיקות כמו תורת היחסות ותורת הקוונטים.


בשני המקרים, אם כן, מדובר ברעידת אדמה אמיתית בעולם המדע - ומכאן גם אפשר להבין את הלהיטות של החוקרים לפתור את המשבר הזה.

שממת KBC

אבל אולי ישנו גם פתרון אחר, פשוט יותר.

ב-2013 נתגלתה שממה קוסמית חדשה: שממת KBC, על שם ראשי התיבות של שלושת מגליה. שממת KBC מיוחדת משתי סיבות. הראשונה היא שזו השממה הגדולה ביותר שנתגלתה אי פעם: קוטרה כשני מיליארד שנות אור - דהיינו, פי שניים מה Giant Void. השניה, היא שזו השממה "שלנו": כן, גלקסיית שביל החלב, וגם חלק מסוים מצביר הגלקסיות שאנחנו חברים בו, נמצאים בתוך שממת KBC - ליתר דיוק, כמה מאות מיליוני שנות אור ממרכז השממה.


ב-2019 הציעו מספר חוקרים מאוני' דורהם הבריטית את האפשרות שהעובדה שאנחנו נמצאים *בתוך* שממה קוסמית, משפיעה על המדידות שאנחנו עורכים. ייתכן, הציעו החוקרים, שכוח המשיכה שמפעילות עלינו הגלקסיות שנמצאות מחוץ לשממה שלנו גורם לעיוותים מסויימים בתוצאות המדידות, וזו הסיבה להבדלים בגיל המחושב של היקום בין השיטות השונות. ההשערה הזו עדיין לא מוכחת דיה ויש מי שמטילים בה ספק - אבל לכל הפחות, היא מדגימה לנו שעד עכשיו לקינו במעין 'נקודה עיוורת' בהבנה שלנו של היקום. עד שנתגלו השממות הקוסמיות, הנחת היסוד של האסטרונומים הייתה שאין משמעות אמיתית למיקומו המדויק של כדור הארץ - או מיקומה של גלקסיית שביל החלב - בתוך היקום. הכל, בכל הכיוונים, נראה ומתנהג פחות או יותר אותו הדבר ולכן זה לא ממש משנה אם אנחנו נמצאים בפינה כזו של היקום או בפינה אחרת. אבל ההבנה שליקום שלנו יש מבנה תלת-מימדי משמעותי, ובפרט שהוא מחולק לאזורים בעלי צפיפות גבוהה של חומר - אותם נימים וקירות של טריליוני גלקסיות - לעומת אזורים שכמעט ואין בהם חומר כלל, שממות קוסמיות - להבנה הזו עשויה להיות השפעה מעשית על המדע שלנו, על האופן שבו אנחנו מבינים את המציאות שסביבנו.

אפילוג

לסיכום, ראינו שליקום שלנו יש מבנה תלת מימדי, ואפילו מבנה מורכב למדי: משהו שמזכיר גבינה שוויצרית, כשאת מקומה של הגבינה מחליפים צבירים ונימים של אינספור גלקסיות צפופות יחסית, וביניהם אזורים עצומים של...כלום. מיליארדי שנות אור מעוקבות של חלל כמעט ריק לגמרי, שהן ככל הנראה תוצאה של הבדלים זערוריים בצפיפות החומר כבר בדקות הראשונות שאחרי המפץ הגדול.


ולמרות שנדמה שלכלום הריק והענקי הזה לא אמורה להיות השפעה מהותית על שום דבר, מסתבר שיש לו גם יש. השפעה ראשונה היא בגלל עצם קיומו של המבנה התלת מימדי הספציפי הזה, של אזורים צפופים לעומת אזורים ריקים: כפי שראינו, ייתכן והצפיפות המשתנה משפיעה בדרכים שונות על התצפיות והמדידות שלנו. ההשפעה השניה היא בזכות האנרגיה האפלה והמסתורית, שעושה את פעולתה בעיקר בתוך אותן שממות ריקות ונטולות כוח משיכה.


האנרגיה האפלה היא גם זו שמכתיבה שבסופו של דבר, הרחק הרחק בעתיד - השממות הקוסמיות הן אלה שתיקחנה את כל הקופה. בכל יום ובכל שניה האנרגיה האפלה מותחת ומרחיבה את החלל שבתוך השממות הקוסמיות ומגדילה אותן - בדומה לאופן שבו מנפחים בלון. כתוצאה מההתרחבות הזו, נימי הגלקסיות שעוטפים את השממות ילכו וימתחו גם הן, והגלקסיות ילכו ויתרחקו זו מזו - עד שבסופו של דבר, בעוד טריליוני שנים, השממות השונות יתמזגו למגה-שממות, וממש כפי שארע במקרה של שממת בו-וואטס, הגלקסיות שבין השממות המתמזגות יימצאו את עצמן בודדות, משייטות לבדן כמו ספינות זעירות של חומר בתוך אוקיינוס אדיר של כלום ושום דבר. מסתבר שבסוף, הכלום לוקח הכל.