המפץ הגדול והתפשטותו של היקום

02/02/2007 בשעה 17:02 | פורסם בהספרייה המדעית | סגור לתגובות על המפץ הגדול והתפשטותו של היקום
תגים: , ,

המאורע החשוב ביותר בתולדות היקום נמשך שברירי שניות בלבד. מיליארדי שנים אחרי בריאתו מבקשים המדענים להתחקות שלב אחר שלב באותה התרחשות אדירה, כשתיאוריות יפות נופלות בזו אחר זו, ובמקום כל אחת מהן צצות עוד שלוש, והסבריהן נאים להפליא.

המפץ הגדול: מי מרחיק את הכוכבים כשהם מתקרבים זה לזה?

בעת מגפת הדבר בשנת 1666, נסגרה אוניברסיטת קיימברידג' שבה למד אייזק ניוטון, וכל הסטודנטים נשלחו לביתם. ניוטון שב לכפר מולדתו והיה מסייר בשדותיו באפס מעשה. באחד הימים, אירע מקרה פעוט וחסר חשיבות לכאורה, שישנה בסופו של דבר את פני המדע עד בלי היכר. לפי המסופר ואפשר שזו רק אגדה, נח לו ניוטון תחת עץ התפוח כשלפתע נשר הפרי ונפל על ראשו. לכאורה, זו תופעה רגילה ויומיומית, כי הרי תפוחים מטבעם נושרים מתישהו מן העצים. אולם לא ניוטון הוא האיש שיהיה עד למקרה שכזה ויפסח עליו. המדען המהולל לימים, תהה בינו לבין עצמו מדוע התפוח נופל, והאם גם הירח עלול ליפול, עד שהגיע למסקנה כי זוהי למעשה המחשתו של חוק כללי השולט בטבע, הלא הוא חוק הכבידה שגורם לגופים להימשך זה לזה.

ניוטון הבין בעזרת חליפת מכתבים עם הכומר ריצ'ארד בנטלי (Richard Bentley) בשנים 1692-3, כי על פי תורת הכבידה שלו, אם היקום מוגבל במימדיו, צריכים הכוכבים למשוך זה את זה עד שיתנגשו ביניהם בלילה מן הלילות. אם היקום אינסופי במימדיו, אזי כוח המשיכה הפועל על הכוכבים גם הוא אינסופי, ולכן הכוכבים יקרעו נתחים זה מזה עד שיתפוררו לאבק. דהיינו, בין אם היקום הוא סופי ובין אם אינסופי, הריהו דינמי. לדעת ניוטון, היקום הוא סטטי, ונהיר היה לו כי אין אפשרות שבה יישארו גרמי השמיים ללא ניע בחלל העצום, אם הוא מוגבל במימדיו. על מנת לפתור את הסוגיה המטרידה הוא דימה לעצמו את היקום כמרחב סימטרי ואינסופי, אשר כל גוף המצוי בו נמשך במידה שווה לכל הכיוונים. אלא שניוטון הבין כעבור זמן מה כי היקום ששיווה בנפשו לא יהיה יציב, וכי למעשה ההפרעה הזעירה ביותר באיזון הכבידתי תערער את שיווי המשקל. לדוגמא, שביט שחולף דרך מערכת השמש יגדיל זמנית את צפיפותו של כל חלק בחלל שדרכו הוא עובר, וימשוך עוד חומר לעבר אותם מחוזות, ובכך יתחיל תהליך של קריסה מוחלטת. על מנת לפתור את הבעיה, ניוטון טען שהתערבות המתרחשת מפעם לפעם מרחיקה את הגופים השמימיים אלה מאלה.

ניוטון גם הרהר על הסבר גשמי יותר וטען כי לא יתכן שהכוכבים ייפלו זה על זה כמו התפוח שנפל ארצה מן העץ, מפני שהכוכבים אשר מספרם אינסופי, מפוזרים באורח אחיד במרחב אינסופי, ולכן אין במרחב נקודה מרכזית שאליה יוכלו ליפול. אילו היה מספר הכוכבים במרחב מוגבל מטבעו, ואף המרחב עצמו היה תחום בגבולות כלשהם, כי אז לדברי ניוטון, היו נופלים כל הכוכבים לתוך הנקודה המצויה במרכז. ברם, אם ניוטון היה פונה לחשב זאת היה מוצא, ודאי, כי במרחב אינסופי כל נקודה שהיא מצויה במרכז, מאחר שכל נקודה ונקודה מוקפת במספר אינסופי של כוכבים מכל עבריה.

מתמטיקאים אחרים חישבו זאת בעצמם, והסיקו כי במידה שתורת הכבידה הניוטונית נכונה, בלתי אפשרי שהמרחב יהיה קבוע. הם כמובן לא העלו על דעתם את האפשרות השנייה, שהמרחב משתנה, ואילו תורת הכבידה היא זו שאינה נכונה. לפיכך, הוכנס שינוי בתורתו של ניוטון, לפיו הפך כוח הכבידה, בצד היותו כוח משיכה במרחקים רגילים, גם לכוח דחייה במרחקים גדולים מאד. עתה יכלו לומר כולם כי גרמי השמיים אינם נופלים זה על זה ולמעשה הינם מצויים בשיווי-משקל, היות שכוחות המשיכה בין כוכבים קרובים מתאזנים על ידי כוחות הדחייה של כוכבים רחוקים.

המפץ הגדול: האם היקום הינו סטטי?

עד ראשית המאה ה-20 לא היו כל ראיות אסטרונומיות בדבר התפשטות או התכווצות היקום, וגם לאלברט איינשטיין לא היה כל ספק שהיקום חייב להיות סטטי, וכי הכוכבים שומרים על מיקום קבוע במרחב-זמן. הוא כלל לא העלה בדעתו אפשרות אחרת, ולבטח לא ייחודיות כבידתית, צפופה וזעירה במידה אינסופית, שתהווה מחסום בלתי עביר בפני הגאונות האנושית, ושאי אפשר יהיה לחשב מה אירע לפניה. אולי בגלל כך החמיץ איינשטיין את הניבוי על התפשטות היקום, ויתכן מפני שדבק מדי בהשערת מאך על התנהגות החומר במרחב.

לאחר שפורסמו משוואות תורת היחסות הכללית, ונמצא פתרונן הראשון על ידי קארל שוורצשילד בשנת 1916, הבין איינשטיין כי זה אך טבעי שתיאוריית הכבידה שלו תאפשר לערוך חקירה תיאורטית של היקום. שנה אחר כך חישב לפיהן את מבנהו, ובזאת הביא לעולם את מדע הקוסמולוגיה המודרנית. איינשטיין הצליח לפתח נוסחה של רדיוס היקום, ומצא שקיים יחס הפוך בינו לבין השורש הריבועי של צפיפות החומר הממוצעת ביקום כולו. אולם, איינשטיין נתקל בבעיה חריפה שנבעה מתורת היחסות הכללית. מאחר שהמרחקים בין הכוכבים הם אדירים והלחץ ביקום הוא אפסי, הרי שהגלקסיות מוכרחות לקרוס. הואיל ולא הצליח למצוא פיתרון יציב למשוואותיה, הוסיף להן 'קבוע קוסמולוגי' מסדר גודל הערך ההפוך של ריבוע רדיוס היקום, וקבע כי בטבע קיים כוח אנטי-כבידה, שאינו אלא נדבך במרקם המרחב-זמן עצמו. בגלל כוח זה יש למרחב-זמן נטייה להתפשט, ואת המגמה זו מקזזת המשיכה הנובעת מכוח הכבידה של כל חומר מצוי. איינשטיין קיבל דגם של היקום בו הכוכבים שומרים על מבנה מרחבי קבוע ונעים רק בזמן (הצפיפות הממוצעת של החומר אינה משתנה עם הזמן), בעוד שהמרחב הוא אומנם חסר גבולות, אך איננו אינסופי אלא סופי וסגור כמו כדור – אולם הוא טעה.

היקום שהגה איינשטיין לא היה יציב מעיקרו. על פי הפתרון הסטטי, הקבוע הקוסמולוגי מאזן בדיוק את כוח הכבידה, אבל אם יתרחש גידול זעיר בצפיפות בנקודה כלשהי, תגדל המשיכה הכבידתית ההדדית בין גרמי השמיים ותגבר על הכוח המאזן אותה, המיוצג על ידי פעולת הדחייה של הקבוע הקוסמולוגי, ואז תתחיל התכווצות אשר תגדיל את הצפיפות. זו תגביר שוב את הכבידה, וההתכווצות תימשך עד לקריסה מלאה. הקבוע הקוסמולוגי שהשפעתו אינה תלויה בחומר, לא יוכל למנוע קריסה כזו לאחר שהיא החלה. לעומת זאת, אם במצב שיווי משקל תתרחש הקטנה בצפיפות, יגדלו המרחקים בין גרמי השמיים, הכבידה תיחלש, והכוח המאזן, שהקבוע הקוסמולוגי מייצג אותו, יגרום להתפשטות. זו תגרום להחלשת הכבידה עוד יותר, וההתפשטות תימשך לאינסוף.

ברם, איינשטיין היה משוכנע שפתרונו הוא הדגם הפיסיקלי היחיד שמייצג את היקום נאמנה, ולכן רטן כאשר וילם דה סיטר (Willem de Sitter), שנהג לחבר מאמרים שקישרו את תורת היחסות הכללית לאסטרונומיה התצפיתית, הציג פתרון שכלל את 'הקבוע הקוסמולוגי' ובו היה יקום חסר-חומר הנוטה להתפשט. איינשטיין לא חיבב את המודל של דה סיטר, משום שלא הכיל חומר והרי זה מגדיר את המרחב-זמן. הוא העדיף לדבוק בעקרון מאך, אף שמאוחר יותר למד כי אינו בשר מבשרן של משוואות תורת היחסות הכללית, וכי דה סיטר לא שגה כל כך מבחינה עקרונית.

בשנת 1922 מצא אלכסנדר פרידמן (Alexander Friedmann) פתרון נוסף למשוואותיו המקוריות של איינשטיין, ללא 'הקבוע הקוסמולוגי'. בתחילה הוא סיפק ערכים שונים עבור הקבוע הקוסמולוגי ויצר באמצעותם מודלים שונים של היקום. אחרי כן התווה מודל של היקום שבו 'הקבוע הקוסמולוגי' הועמד על אפס. ללא קבוע קוסמולוגי שיפעל נגד המשיכה הבלתי פוסקת של הכבידה, סבר איינשטיין כי על היקום נגזרת קריסה אדירה. לפיכך לא יכול היה להעלות דבר כזה על הדעת. אבל פרידמן סבר שאולי היקום הותנע והופעל עם התפשטות ראשונית, כך שיש לו תנע שבעזרתו מסוגל הוא להיאבק נגד משיכת הכבידה.

פרידמן הציע שלוש דרכים אפשריות שבהן מודל היקום שלו מסוגל להגיב על כוח הכבידה, ואשר כולן תלויות בצפיפות החומר. האפשרות הראשונה הניחה שהצפיפות הממוצעת של היקום גבוהה, ולכן גורמת זו למשיכה כבידתית חזקה, שבסופו של דבר תעצור את התפשטות היקום, ובהדרגה תגרום להתכווצותו עד שיקרוס כליל. האפשרות השנייה הניחה שהצפיפות הממוצעת היא נמוכה, ולכן כוח המשיכה של הכבידה לעולם לא יגבר על התפשטות היקום, שלפיכך ימשיך להתפשט לנצח. האפשרות השלישית הניחה כי הצפיפות הממוצעת מצויה בתווך, ולכן הכבידה תאט אומנם את התפשטות היקום, אך לעולם לא תעצור אותה לגמרי. דהיינו, היקום לא יקרוס לתוך עצמו וגם לא יתפשט עד אינסוף.

בשנת 1925 החל הכומר והקוסמולוג ז'ורז' למטר (Georges Lemaître) לפתח אף הוא מודלים של היקום משלו שהתבססו על משוואות איינשטיין לתורת היחסות הכללית, אבל התעלמו במידה רבה מתפקידו של 'הקבוע הקוסמולוגי'. בשנתיים הבאות הוא גילה מחדש את המודלים המתארים יקום מתפשט, ולא ידע שפרידמן כבר עבר אותו תהליך חשיבה בתחילת העשור.

אולם למטר הרחיק לכת מעבר לעבודתו של קודמו, ובדק בנחישות את ההשלכות של התפשטות היקום. אם היקום אכן מתפשט, אז בוודאי היה אתמול קטן יותר. ועל פי ההיגיון, אם יסובב את השעון לאחור אל התחלה לכאורה של היקום, אזי מחויב החלל כולו להיות דחוס מאד בתוך אזור זעיר יחסית, פי שלושים גדול מן השמש, שאותו הוא כינה "האטום הקדמוני". ואז ראה למטר ברוחו את מעשה הבריאה כרגע שבו האטום הקדמוני הזה, המכיל בחובו את הכול, מתפרק פתאום – ממש כמו שמתפרק אטום אורניום לאטומים קטנים יותר – ואותה התפרקות ראשונית מולידה את כל החומר שבעולם. קרוב לוודאי כי למטר הושפע מתורת הקוונטים שהיתה בחדשות באותם ימים.

למטר שיער כי הקרניים הקוסמיות – אותם חלקיקים עתירי אנרגיה שמקורם בחלל החיצון – עשויות להיות שרידים של ההתפרקות הראשונית ההיא, וכי מרבית החומר שנפלט בה, התעבה ברבות הזמן ויצר את הכוכבים והפלנטות. יתר על כן, האנרגיה שהשתחררה באותה התפרקות אדירה יכלה לתדלק את התפשטותו של היקום. בשנת 1927 פרסם למטר את השערתו המדהימה. מנת חלקו היתה אותה התעלמות צוננת שקיבלה את פני מודל היקום המתפשט של פרידמן. עשור אחרי כן, כבר התקשתה הקהילה המדעית להתעלם מעבודתם של הו'ארד רוברטסון (Howard Robertson) וארתור ו'וקר (Arthur Walker), שהניבה תיאור גיאומטרי של יקום הולך ומתפשט.

המפץ הגדול: הגלקסיות הולכות ומתרחקות זו מזו

בשלהי המאה ה-19 החלו אסטרונומים להשתמש בספקטרוסקופים באופן תדיר כדי לחקור את מבנה הכוכבים ואת מהירותם. על ידי זיהוי אורכי הגל החסרים אצל כוכב מסוים, יכלו הם לזהות את רכיביו, שהיו בעיקר מימן והליום. ואז, כשנמדדה ההסחה של הקווים האלה, היה אפשר לראות שכמה כוכבים נעים לעבר הארץ, ואחרים נעים ממנה והלאה. השיטה הסתמכה על אפקט שנתגלה על ידי כריסטיאן דופלר (Christian Doppler).

בשנת 1842 הודיע דופלר שתנועה של גוף תשפיע על כל הגלים שהוא פולט. כשגוף פולט גלים נע לעבר הצופה, אז הצופה מבחין בהקטנה של אורך הגל, ואילו כשהגוף מתרחק מהצופה, אז הצופה מבחין בהגדלה של אורך הגל. ולחלופין, אם פולט הגלים לא יזוז ממקומו, אבל הקולט יהיה בתנועה, אפשר יהא לראות אותן התופעות. לדוגמא, כלב הנובח בקצב קבוע. כל אימת שהוא נייח, יוצאת חזית קול ומתפשטת כמעגל סביב פיו. כל הסובבים אותו שומעים את הנביחות המגיעות אליהם במרווחים קבועים. אבל אם הכלב רץ כשהוא נובח, פיו נע ומרכזו של כל מעגל מתפשט סוטה לעומת קודמו. מאזינים בכיוון שאליו נע הכלב ישמעו את הנביחות במרווחי זמן קצרים יותר, כך שצלילן יהיה גבוה יותר. המאזינים בכיוון שממנו הוא נע שומעים צליל נמוך יותר משום שמרווחי הזמן בין הנביחות גדלים.

הראשון שיישם את השיטה באסטרונומיה היה ו'יליאם האגינס (William Huggins) שביקש לחקור תנועה רדיאלית של כוכבים. בשנת 1868 הוא ואשתו מרגרט הצליחו לגלות תזוזת דופלר בספקטרום של הכוכב סיריוס. קווי הבליעה של סיריוס היו כמעט זהים לאלה שבספקטרום השמש, מלבד אורך הגל של כל קו שהוגדל ב-0.015 אחוזים. ממצא זה הראה שסיריוס מתרחק מכדור הארץ. הגדלה באורך הגל נקראת הסחה לאדום, מפני שהאדום נמצא בקצה אורכי הגל הארוכים יותר של הספקטרום הנראה לעין. ובדומה לכך, הפחתה באורך הגל נקראת הסחה לכחול. מפני שידע כי מהירות הגל היא מהירות האור, מצא האגינס שמהירותו של סיריוס היא 45- קילומטר בשנייה.

בשנת 1895 הסעיר פרסיבל לוו'ל (Percival Lowell) את העולם בטענתו כי הקווים המסתוריים על פני מאדים הם תעלות שחצבו תושביה על מנת להזרים מים מכיפות הקרח הקוטביות לרחבי העולם המדברי. אל המצפה שהקים הזמין שש שנים אחר כך את וסטו סלייפר (Vesto Slipher). הבעיה שהעסיקה את לוו'ל לא היתה התפשטות היקום. באותם ימים שלטה במדע הסברה כי הערפיליות הן ענני גז המצויים בתוך שביל החלב. וכך, אחרי שהחליט כי הפלנטות הינן מאוכלסות, התעניין לוו'ל ביצירתן. הוא סבר כי הערפיליות התעבו במרוצת הזמן ויצרו את הכוכבים והפלנטות. לפיכך, הורה בשנת 1909 לסלייפר לערוך תצפיות ספקטרליות בערפיליות חלזוניות. הוא ציפה שהלה ימצא הסחה לאדום בצד אחד של כל חילזון נטוי, והסחה לכחול בצד האחר. הדבר היה מלמד שהערפיליות החלזוניות עשויות מגז המסתחרר על צירו, ומשום כך צד אחד של כל חילזון מתרחק מאיתנו, והצד האחר מתקרב אלינו.

בשלהי 1912, אחרי סדרה של צילומים, בדק סלייפר ארבע ספקטוגרמות של אנדרומדה, ומצא כי קווי הספקטרום הוסחו לעבר הקצה הכחול. ממדידותיו נתברר שאנדרומדה נעה לעברנו במהירות של 300 קילומטר בשנייה. סלייפר הודיע על כך ללוו'ל אך פקפק בממצאיו. איש לא האמין אז שערפילית יכולה להיות בעלת מהירות גבוהה שכזאת. גם כאשר מדד את המהירויות של הכוכבים המצויים בתוך שביל החלב, לא עלתה מהירותם על 50 קילומטר בשנייה. על מנת לבדוק שלא טעה, כיוון סלייפר את הטלסקופ שלו אל ערפילית אחרת. הפעם הוא גילה הסחה לאדום, ותופעת דופלר היתה קיצונית עוד יותר. אורה של הערפילית השנייה הוסח לאדום במידה כזו שהיא התרחקה מכדור הארץ במהירות של 1000 קילומטר בשנייה. במשך השנים הבאות המשיך לחקור ערפיליות חלזוניות אחרות, ומצא כי מרביתן (שלא כמו אנדרומדה הנמשכת לשביל החלב) מוסחות לאדום, והן נעות מכדור הארץ והלאה. סלייפר ועמיתיו העלו כמה אפשרויות בניסיון להסביר את תצפיותיו. אחת מהן גרסה כי ההפרש הגדול בין המהירויות הללו אינו אלא עדות מוצקה דיה כי אותן ערפיליות כלל אינן חלק משביל החלב.

גם קארל וירץ (Carl Wirtz) מצא באמצעות תיקון K של אובייקטים אסטרונומיים כי הערפיליות מתרחקות מכדור הארץ. כפי הנראה, הוא היה מודע להשלכות הקוסמולוגיות של הראיות התצפיתיות והתוצאות האמפיריות שהשיג, אף שלא כתב דבר על היקום המתפשט. ההוכחה הסופית לכך שהערפיליות נמצאות מחוץ לשביל החלב באה בעקבות התקנת הטלסקופ הגדול בהר ו'ילסון שבקליפורניה. בשנת 1923 צפה באמצעותו אדו'ין האבל (Edwin Hubble) באותן ערפיליות, וגילה כי הן למעשה גלקסיות המרוחקות מאד משביל החלב. בכך הרחיב האבל את תפישת היקום במידה עצומה ממש.

האבל גם מדד את המהירויות של הגלקסיות, ובדומה לסלייפר ערך תצפיות בקווי הספקטרום שלהן. באותה עת חשב כמו חוקרים נוספים שהגלקסיות מתנועעות, אם כי תנועתן אקראית לחלוטין. משום כך ציפה למצוא מספר דומה של הסחות לאדום והסחות לכחול. היתה זו, אפוא, הפתעה גדולה עבורו כשהתברר לו כי רוב הגלקסיות מוסחות לאדום, ומכך משתמע כי מרבית הגלקסיות הולכות ומתרחקות מאיתנו.

אחרי שמדד כמה עשרות גלקסיות, שרטט האבל בשנת 1929 עקומה שעל הציר האנכי שלה נתונה המהירות של כל גלקסיה ביחס לכדור הארץ, ועל הציר האופקי נתון המרחק של הגלקסיה ממנו. הוא מצא כי מהירות הגלקסיות עומדת ביחס ישר למרחקן מכדור הארץ: ככל שהגלקסיה מרוחקת מכדור הארץ, כך גדלה מהירות התרחקותה ממנו. היחס בין מהירות ההתרחקות למרחק נקרא 'קבוע האבל', ושיעורו לפי מדידות בנות זמננו כ-71 קילומטר בשנייה לכל 3.26 מיליוני שנות אור (WMAP). לפיכך, הסיקו הפיסיקאים כי היקום אינו יכול להיות סטטי כלל וכלל, אלא הוא הולך ומתפשט.

יש לבאר ולומר כי אומנם המרחקים בין הגלקסיות השונות הולכים וגדלים כל העת, אך אין הכוונה שהתרחקות זו מושגת על ידי תנועה קינטית, כי אם נעשית על ידי התפשטות המרחב עצמו. לפיכך, כשאור עושה את דרכו אלינו ממקום כלשהו ביקום, אזי יתמתח האור לאורכי גל ארוכים יותר, ופירוש הדבר הוא הסחתו לעבר הקצה האדום של הספקטרום. להמחשה, כשמנפחים בלון עוד יותר מכפי שהינו, מתרחקים זה מזה שני פרצופי סמיילי המשורטטים עליו מבלי שיזוזו ממקומם. אם תהיינה אלה מדבקות סמיילי על הבלון, הן אפילו לא תשנינה את גודלן לכשיתרחב שטח פניו.

כשנודע לאיינשטיין על תגליתו של האבל, שמח לדעת כי מהווה היא אימות נוסף לניבוייה של תורת היחסות הכללית, ובשנת 1931 הוא ביטל את 'הקבוע הקוסמולוגי', ועל פי המסופר שנים אחרי כן כינה את שגיאתו במילים: "היתה זו הטעות הגדולה של חיי". לאיינשטיין היה ברור כי אם כל הגלקסיות נעות במהירות שמידתה בהתאם למרחק שלהן משביל החלב, אזי בנקודה כלשהי בעבר היו כולן ממוקמות בעת ובעונה אחת באותו מקום שבו נמצאת הגלקסיה שלנו. ואם נמשיך לסובב את השעון לאחור, כל אלה תצטופפנה באזור אחד זעיר, בדיוק כפי שטען למטר. שנה אחר כך הציג איינשטיין עם וילם דה סיטר מודל של יקום שמחייב את בריאתו מתוך ייחודיות כבידתית, ואשר בו המרחב שטוח (מציית לגיאומטריה האוקלידית) אבל מתפשט (בעל קבוע קוסמולוגי אפס) – וגם הולם תפיחה קוסמית ואפשרות קיומו של חומר אפל.

המפץ הגדול: מודל המצב היציב של הויל

בהנחה שמהירות הבריחה של כל גלקסיה הינה קבועה עם הזמן, אזי ניתן לחשב מתי נוצר היקום. לפי החישובים של זמננו (WMAP), גיל היקום נאמד ב-13.75 מיליארד שנים, אולם כשעשה האבל את מדידותיו, עלה מהן שגיל היקום הוא כ-1.8 מיליארד שנים, זאת מפני שחישב את 'קבוע האבל' בטעות כ-558 קילומטר בשנייה לכל 3.26 מיליוני שנות אור. כשמחלקים מרחק זה במהירות זו התגלה זמן היקום מאז בריאתו, והתוצאה עמדה בסתירה לגיל כדור הארץ. ממדידת הרדיואקטיביות של הסלעים על פניו נמצא כי הוא נוצר לפני כ-4.6 מיליארד שנים, והרי לא יתכן שכדור הארץ קדום מן היקום. סתירה זו העמידה בספק את התיאוריה על התפשטות היקום.

בשנת 1948 פותח מודל 'המצב היציב' על ידי פרד הויל ועמיתיו, הרמן בונדי (Hermann Bondi) ותומאס גולד (Thomas Gold), על מנת ליישב את הסתירה בין גיל היקום לפי 'קבוע האבל', לבין גיל כדור הארץ כפי שעלה מהתצפיות הגיאולוגיות. לטענת השלושה, הגלקסיות אומנם מתרחקות זו מזו, אבל בחלל הבין-גלקטי נוצר כל הזמן חומר חדש. קצב היווצרות החומר איטי מאין כמוהו, אפשר שרק אטום אחד בקילומטר מעוקב בשנה, אך מהצטברותו נולדות במשך הזמן גלקסיות חדשות, הממלאות את המרחב שנפער בין הגלקסיות הוותיקות. הגלקסיות החדשות מתחילות גם הן להתרחק זו מזו, וכך הדברים חוזרים על עצמם כל הזמן, ללא התחלה וללא סוף.

מודל 'המצב היציב' אומץ בשמחה על ידי הקהילה המדעית, כיוון שהיה נוח מבחינה פילוסופית לאור הבעייתיות הלוגית הנובעת מכך שליקום הייתה ראשית. נעים היה לשוב אל התפישה של יקום אינסופי ללא התחלה. ביקום שכזה, כמובן, לא נראה לעולם כל סימן לעבר. את התיאוריה המתחרה בדבר התפשטות היקום – מודל ההתפתחות הדינמי – כינה הויל מאוחר יותר, שמא בלגלוג, בשם 'הדפיקה הגדולה' (Big Bang). יש לומר כי מודל 'המצב היציב' שגרס כי חומר נוצר בדרך קבע, אטום אחר אטום, היה הגיוני באותה מידה כמו הטענה לפיה כל האטומים ביקום נוצרו במפץ אחד גדול.

המפץ הגדול: יצירת הליום בדרך של נוקלאוסינתזה קוסמולוגית

ג'ורג' גאמוב (George Gamow), תלמידו לשעבר של פרידמן, היה מאלה שקיבלו את הדעה כי היקום היה בשעתו מכווץ יותר מאשר בימינו. בשנת 1948 הוא גרס לפיכך שהיקום צריך היה להיות לוהט למדי בראשיתו, כי כשדוחסים חומר הוא מתחמם עד מאד. הואיל וצפיפותו של היקום בטרם התפשטותו היתה אינסופית (מרוכז בייחודיות כבידתית), אזי גם אנרגיית החום שלו היתה אינסופית, ולכן לא מן הנמנע כי התרחש פיצוץ אדיר.

לפי הלך מחשבתו של גאמוב, ובמונחים מודרניים, פחות ממאית שניה לאחר היווצרות היקום מתוך הייחודיות הכבידתית, שררו בו טמפרטורות עצומות של עשרות מיליארדי מעלות, ומרכיביהם של גרעיני האטומים לא היו קשורים כלל, כי כל חומר מתפרק לרכיביו ככל שהחום גובר. היקום היה מורכב, אפוא, בשלב זה רק מתערובת של קוורקים וגלואונים חופשיים, וכשפחתה הצפיפות נוצרו חלקיקים בודדים של פרוטונים, נויטרונים, אלקטרונים, נויטרינים, האנטי-חלקיקים המקבילים להם ופוטונים.

היקום הלך והתקרר, אך עדיין היתה קיימת אנרגיה רבה שאפשרה לפרוטון ולאלקטרון להתנגש זה בזה וליצור נויטרון ואנטי-נויטרינו. אולם, נויטרון במצב חופשי הוא חלקיק בלתי יציב, המתפרק בממוצע בתוך 15 דקות לשלושה חלקים: פרוטון, אלקטרון ואנטי-נויטרינו. לפנינו, אם כך, שני תהליכים הפוכים המתרחשים בו זמנית – מחד מתפרקים הנויטרונים, ומאידך פרוטונים ואלקטרונים מתנגשים זה בזה ויוצרים נויטרונים באמצעות האנרגיה ששררה אז. כך נוצר שיווי משקל בין מספר הפרוטונים למספר הנויטרונים.

ברם, הנויטרון כבד מהפרוטון, ועובדה זו פירושה שיש צורך במעט יותר אנרגיה כדי ליצרו. אם לא תהיה לאלקטרון אנרגיה מספקת, הוא לא יוכל ליצור נויטרון ואנטי-נויטרינו בהתנגשות עם אחד הפרוטונים. על כן, כאשר היקום התקרר עוד יותר והטמפרטורה הלכה וירדה, לחלקיקים היתה פחות אנרגיה קינטית, וכשזו ירדה אל מתחת לסף מסוים לא נוצרו עוד נויטרונים מתולדה של אלקטרונים ופרוטונים, והתקיים לכאורה רק תהליך התפרקותם. לפי הנחה זו, לאחר זמן מה לא היה נותר אפילו נויטרון אחד ביקום.

אלא שהתרחשות נוספת אירעה כאשר הצפיפות היתה גבוהה למדי, והיא התנגשותם של הפרוטונים זה בזה. פרוטון שהתנגש בו פרוטון אחר יכול להיהפך לנויטרון, תוך פליטת פוזיטרון הנושא את המטען החשמלי החיובי שלו. אז קיים לפרוטון זה או אחר סיכוי ללכוד את הנויטרון שעתה נוצר, בטרם יספיק הוא להתפרק, ולהתחבר עימו ליצירת גרעין של דויטריום (איזוטופ של מימן שמכיל פרוטון ונויטרון).

גרעין הדויטריום עצמו יכול להתלכד עם פרוטון אחר וליצור גרעין של הליום 3, וזה בתורו יכול להתלכד עם עוד נויטרון וליצור גרעין הליום (שני פרוטונים ושני נויטרונים) או להתחבר לגרעין הליום 3 נוסף וליצור גרעין הליום תוך פליטת שני פרוטונים. מעת שהנויטרונים לכודים בתוך גרעין ההליום הם אינם מתפרקים עוד.

התנהלה, אפוא, מעין תחרות בין תהליך התפרקות הנויטרונים לבין תהליך התחברות הנויטרונים עם הפרוטונים לשם יצירת גרעין דויטריום וממנו ליצירת גרעין הליום. אם תהליך התפרקות הנויטרונים מהיר ביותר אזי לא ייווצרו כמעט גרעיני הליום, ואילו אם התחברות הפרוטונים והנויטרונים מהירה ביותר אזי תיווצר כמות גדולה מאד של גרעיני הליום.

ככל שהיקום הלך והתפשט כך התקשה פרוטון אחד לפגוש פרוטון שני בכדי ליצור גרעין דויטריום וממנו גרעין הליום. לכן קצב התפשטות היקום קבע בסופו של דבר כמה פרוטונים הצליחו ללכוד פרוטונים אחרים. לפי חישובים שערך תלמידו של גאמוב, ראלף אלפר (Ralf Alpher), נמצא כי לפי מספר האטומים צריך היה להיווצר גרעין הליום אחד על כל תשעה גרעיני מימן בתום הנוקלאוסינתזה הקוסמית – בשלוש הדקות הראשונות של המפץ הגדול.

תצפיות ספקטרוסקופיות על כוכבים שנוצרו מיד עם היווצרות הגלקסיות ועודם קיימים בימינו, מבלי שזוהמו ביסודות כבדים, מצאו כי הערכתו של אלפר היתה די מדויקת, וכי שני היסודות הקלים והקטנים ביותר הם גם השכיחים מכולם ביקום המוקדם, כ-75 אחוזים הם מימן, כ-25 אחוזים הליום, ושאר היסודות נכללים בפחות מאחוז אחד. גם מדידות בנות זמננו של החומר הנראה – ללא חומר אפל ואנרגיה אפלה – שבוצעו בחתך מסוים, איששו מחדש את התרחיש התיאורטי, במוצאן נתונים זהים לאלה המשוערים ביחס להליום, הליום 3, דויטריום וליתיום  (WMAP). עם זאת, לא אלפר ולא גאמוב מורהו, הצליחו להסביר את יצירתם של גרעינים כבדים יותר מאלה של מימן והליום.

ראלף אלפר חבר לעמיתו רוברט הרמן (Robert Herman), כדי לחקור מה אירע ביקום אחרי שהמשיך להתקרר ולא התאפשר בו עוד תהליך של נוקלאוסינתזה. הם ידעו כי בטמפרטורה של מיליוני מעלות קלווין כל החומר ביקום היה מצוי במצב של פלזמה, שבו אלקטרונים לא נקשרו לגרעיני האטומים מפני שנעו מהר מדי מכדי שכך יתרחש, או שנתלשו מהם על ידי פוטונים שיצרו אינטראקציה עימם. במהלך 380 אלף השנים אחרי המפץ הגדול, המשיך היקום להתפשט ולהתקרר, גודלו הגיע ל-1/1100 מאשר מימדיו כיום, והטמפרטורה בו ירדה ל-2967 מעלות קלווין. או אז התרחשה רקומבינציה במשך כחצי מיליון שנה, שבה נצמדו האלקטרונים לגרעינים ויצרו אטומים של מימן והליום המצויים במצב של גז. אולם, פוטוני האור שיוצרים בקלות אינטראקציה עם חלקיקים טעונים בפלזמה, אינם עושים כן עם חלקיקי גז, ולכן בזמן התרחשות הרקומבינציה נפרדו הפוטונים מן החומר ויכלו לנוע באופן חופשי בפעם הראשונה בתולדות היקום.

אלפר והרמן תפשו במוחם כי חלקיקי האור הללו עדיין עושים את דרכם ברחבי היקום, וטענו כי הגילוי שלהם יהווה עדות מכריעה להתרחשותו של המפץ הגדול, ויסתור את מודל המצב היציב, וכל רעיון על יקום אינסופי שאינו משתנה עם הזמן. הם העריכו כי אורכם היה אלפית המילימטר לפני שהתפשטו ומאז הלך וגדל. לפי חישוביהם, טמפרטורת קרינתם ירדה עד כדי 5 מעלות קלווין (5 מעלות מעל האפס המוחלט). הווה אומר, זוהי קרינה שאורך הגל של חלקיקיה מצוי בתחום גלי המיקרו של הספקטרום, שהינם ארוכים יחסית. שני החוקרים ניבאו, אם כך, את קיומה של 'קרינת הרקע הקוסמית'.

המפץ הגדול: יצירת גרעינים של אטומי פחמן

את סוד יצירתם של היסודות הכבדים גילה פרד הויל (Fred Hoyle) בחוקרו כיצד נוצר הפחמן לראשונה, מתוך הנחתו המוקדמת שכדבר הזה לא אירע לאחר המפץ הגדול. תחילה תהה האם סינתזה כזאת יכולה להתרחש בכוכבים באמצע חייהם. הוא מצא כי הטמפרטורה השוררת על פניהם היא כמה אלפי מעלות קלווין בלבד, וכמה מיליוני מעלות קלווין בליבתם. בתנאי טמפרטורה אלה יש כדי להתיך מימן להליום באיטיות יחסית, אבל הם אינם מספיקים כדי להתיך הליום וליצור גרעיני אטומים כבדים יותר, מפני שמלאכה זו תובעת טמפרטורה של מיליארדי מעלות.

באופן טבעי, מסת הכוכב נמשכת פנימה לעבר מרכזו, בגלל המשיכה הכבידתית העצמית שלו, אבל משיכה זו מתקזזת בלחץ המופעל כלפי חוץ כתוצאה מן הטמפרטורות הגבוהות השוררות בליבת הכוכב בזמן התכת המימן להליום. איזון זה מופר לקראת סוף חייו של הכוכב, כשדלק המימן מתמעט. בעקבות המחסור במימן מתקררת ליבת הכוכב, והירידה בטמפרטורה גוררת גם ירידה בלחץ המופעל כלפי חוץ, ואילו המשיכה הכבידתית העצמית מביאה להתכווצות הכוכב. בגלל הקריסה הפנימית, נדחס החומר אל תוך הכוכב וגורם לליבתו שוב להתלהט. הדחיסה יוצרת חום עצום עוד יותר משהיה ומעוררת תגובות גרעיניות חדשות. החום גם מאט את המשך קריסת הכוכב ביוצרו לחץ המופעל כלפי חוץ, אך זהו תהליך זמני בלבד, מפני שכמויות המימן ממשיכות להידלדל בשל צריכתן, כך שהכוכב צפוי לקרוס מחדש אל תוכו ולהפיק חום עצום עוד יותר וחוזר חלילה.

הויל חישב את השינויים בטמפרטורה ובלחץ ואת התגובות הגרעיניות שמתרחשים בכוכבים מסוגים שונים בהתקרבם אל סוף חייהם, והראה כי השילובים השונים בין טמפרטורות עצומות ולחצים קיצוניים מסוגלים להביא ליצירת גרעיני אטומים כבדים יותר מן ההליום. כשהכוכב כולו קורס פנימה, בדרכו להיעלם, נשלחים החוצה ממנו גלי הלם מסיביים, המשליכים אל החלל אטומים מכל הסוגים שהיו מצויים בו. מן היסודות האלה, הנמשכים זה לזה, נבנים כוכבים חדשים. בניגוד לבני הדור הראשון, הם כבר מכילים אטומים כבדים יותר בצד המימן וההליום. כשיבוא תורם למות, תיצור קריסתם אטומים כבדים עוד יותר. עם זאת, אין בכך כדי להסביר קיומם של אטומים כבדים יותר מברזל, מפני שגרעין הברזל הינו הצורה היציבה ביותר של החומר. ברם, במקרים יוצאים מן הכלל, שלב הקריסה של הכוכב אינו ניתן לעצירה ומתחולל במהירות עצומה, ועוצמה זו שאין מקבילה לה, מחוללת סופר-נובה. בסביבה הקיצונית הזאת מתרחשות תגובות גרעיניות נדירות היוצרות את גרעיני האטומים הכבדים ביותר.

הויל הניח, אפוא, כי פחמן נוצר בזמן גוויעת הכוכבים, ושיער כי הסינתזה – שהיתה נקודת ההתחלה לכל התגובות הגרעיניות האחרות שיצרו את שאר היסודות ביקום – יוצאת לפועל בדרך זו: הליום מתמזג עם הליום אחר ויוצר גרעין של האיזוטופ בריליום 8. גרעין זה אינו יציב ומתפרק בחזרה לשני גרעיני הליום. עם זאת, אפשר שבמשך הזמן הקצרצר עד פירוקו מצליח גרעין בריליום 8 ללכוד גרעין של הליום, ודרך כך ליצור גרעין של פחמן. כזאת היתה גם השערתו של אדו'ין ספלטר (Edwin Salpeter), אך זו נדחתה מכיוון שלא נתן דעתו כי המסה המשותפת של גרעין הליום וגרעין בריליום 8 גדולה במקצת מן המסה של גרעין פחמן, והעודף מסולק באמצעות הפיכתו לאנרגיה. גרעין פחמן זה יהא במצב מעורר, ותהיה לו אנרגיה הגדולה בשיעור של 7.65 מגה-אלקטרון-וולט מאשר לגרעין פחמן במצב רגיל. את עודף האנרגיה הזה ביקש הויל למצוא ובשנת 1953 פנה אל ו'יליאם פאולר (William Fowler), שחקר את בריליום 8, ושכנע אותו לבדוק במעבדתו האם קיים פחמן במצב מעורר, והוא אכן מצאו כעבור ימים אחדים, וכך אוששה השערתו של הויל.

המפץ הגדול: גילוי קרינת הרקע הקוסמית

בשנת 1965 עבדו במעבדות בל של חברת AT&T בניו ג'רזי, שני רדיו-אסטרונומים בשם ארנו פנזיאס (Arno Penzias) ורוברט ו'ילסון (Robert Wilson), תלמידו של פרד הויל. הללו קיבלו לידיהם באותם ימים רדיו-טלסקופ משומש, ואשר בעזרתו רצו למפות את קרינת הרדיו של שביל החלב. לשם כך פיתחו תחילה גלאי רגיש ביותר של גלי מיקרו, כדי להפחית את אותות התקשורת הלוויינית, אך בכל זאת הופרעו מרעשי רקע בלתי ברורים. הם לא עמדו על טיבה של קרינת רקע זו, והניחו כי מקורה בכדור הארץ, שמא הגיעה מן הכרך הסמוך של ניו-יורק.

ברם, בדיקתם המקיפה פסלה אפשרות זו. כל קרינה שמקורה בתוך האטמוספרה תרעיש חלש יותר כשהגלאי מכוון הישר כלפי מעלה, וחזק יותר כשהוא פונה לכיוונים אחרים, כיוון שקרני האור עוברות מרחק גדול יותר בתוך האטמוספרה כשקולטים אותן ממקור הסמוך לאופק, מאשר כשמקורן נמצא הישר ממעל. קרינת הרקע המסתורית היתה זהה בכל כיוון שאליו הופנה הגלאי, ולכן היה מקורה צריך להימצא מחוץ לאטמוספרה.

קרינת הרקע היתה זהה גם ביום וגם בלילה, ולמעשה בכל עונות השנה, אף שכדור הארץ חג סביב צירו ונע במסילתו מסביב לשמש. כך הובהר שמקור הקרינה נמצא מחוץ למערכת השמש, ואפילו מעבר לגלקסיה, כי אלמלא כן היה עליו להשתנות בעטיין של תנועות כדור הארץ. מפני שאותה קרינת רקע היתה זהה בכל כיוון אפשרי ובעלת עוצמה שווה, היקום חייב גם הוא להיות זהה בכל כיוון, וכך נתגלה בהיסח הדעת אימות מדויק להפליא להנחותיו של אלכסנדר פרידמן.

רוברט דיקי (Robert Dicke) וג'יימס פיבלס מאוניברסיטת פרינסטון התעניינו באותה עת במבנה היקום. כשחקרו את הרקומבינציה הקוסמולוגית הגיעו להסכמה שניתן להבחין בזוהרו של היקום המוקדם, מאחר שמחלקיו הרחוקים מגיע האור לכדור הארץ רק עתה. גם הם שיערו כי בגלל התפשטות היקום יתגלה האור הקדמוני כקרינת גלי מיקרו, וכבר היו מוכנים להתחיל בחיפוש אחריה, כאשר ג'יימס פיבלס (James Peebles) החל לשאת הרצאות אודותיה.

באותם ימים קיימו ו'ילסון ופנזיאס סמינר מדעי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, וחשפו את קיומו של מקור הרעש המטריד ברדיו-טלסקופ שלהם. לאחר סיום הסמינר פנה אליהם האסטרונאוט ברני ברק, והציע להם לשוחח עם פיבלס על קרינת הרקע הקוסמית, שמא מדובר בתופעה זהה לזו שאיתרו שניהם. הדרך מפרינסטון למעבדות בל היא קצרה ושני הצוותים נפגשו כדי לשוחח על ממצאי גלי המיקרו. חיש מהר הבינו החוקרים מפרינסטון כי הרעש שנתגלה במעבדות בל אינו אלא קרינת הרקע הקוסמית שהם מחפשים.

אפשר כי ו'ילסון ופנזיאס לא היו משוכנעים לחלוטין בפירוש שנתנו בפרינסטון לתגליתם. במאמר שפורסם בכתב העת האסטרופיסי ניסחו השניים את דבריהם בלשון זהירה ביותר, בספרם "על גילוי רעש בלתי מוסבר באנטנת רדיו". שנים אחרי כן סיפר ו'ילסון בכנות כי באותה עת האמין כרבים אחרים במודל המצב היציב, ולכן לא ציפה לקיומה של קרינת רקע קוסמית. מיד אחרי המאמר על הרעש המסתורי, התפרסם גם מאמר פרי עטה של קבוצת פרינסטון, ובו נטען כי מקור הרעש הוא קרינת הרקע הקוסמית, ובכך אוששה השערת עמיתיו של גאמוב.

אף על פי כן, מודל המצב היציב לא גווע, ונאמניו ביקשו לאתגר בפעם האחרונה את תומכי המפץ הגדול בתובעם שיסבירו כיצד נוצרו מבני היקום על פי המודל שלהם. על מנת שהללו יוכלו להיווצר, היתה מחויבת להיות ביקום המוקדם אי-אחידות בהתפלגות החומר והאנרגיה בתוכו, שנבעה מתנודות קטנות בצפיפות. המקומות הצפופים יותר משכו את החומר אשר בסביבתם, ומריכוזי החומר האלו הלכו והתפתחו במשך הזמן הכוכבים, הגלקסיות והצבירים הגלקטיים. שינויים זעירים אלה בצפיפות החומר והאנרגיה ביקום המוקדם אמורים היו להותיר חותם בקרינת הרקע הקוסמית בצורה של הפרשים זעירים בטמפרטורה בכל הקצוות. צוותו של ג'ורג' סמוט (George Smoot) גילה אותם בשנת 1992 באמצעות הלוויין COBE, ומצא כי הללו הבדלים בסדר גודל של אחד למאה אלף. בחלק אחד של השמיים הטמפרטורה היא 2.7251 קלווין, בעוד בחלק אחר הטמפרטורה היא 2.7249 קלווין.

המפץ הגדול: האם היקום יתפשט לנצח?

אחת השאלות שמטרידות את הקוסמולוגים היא האם היקום ימשיך להתפשט הלאה לעד, או שמא יגיע לרדיוס כלשהו שבו תיעצר התפשטותו ומעת זו ישוב ויתכווץ. סוגיה זו תלויה באי-שיווי המשקל בין האנרגיה הקינטית שהוקנתה לגלקסיות והיא המאפשרת את התרחקותן זו מזו, לבין כוח הכבידה שמושך אותן זו כלפי זו. אם האנרגיה הקינטית גדולה יותר, היא תגבר על כוח הכבידה והיקום ימשיך להתפשט לנצח. אך אם האנרגיה הפוטנציאלית של הכבידה רבה יותר, יתפשט היקום עד גבול מסוים, וממנו יתכווץ בחזרה עד שישוב לאותה ייחודיות כבידתית שבה החל. תופעה זו שבה הרהר ניוטון, ולפיה כל הכוכבים נופלים לתוך נקודה המצויה במרכז, מכונה 'המפלה הגדולה'.

התשובה לשאלה זו טמונה בצפיפות החומר והאנרגיה אשר ביקום. זו מסומנת באות אומגה. אם ערכה של אומגה גדול מ-1, כלומר היקום צפוף יחסית, כוח הכבידה המצרפי של כל הגלקסיות יבלום בסופו של דבר את ההתפשטות הקוסמית, וגורלו של היקום יהיה קריסה. יקום בעל עקמימות מסוג זה נקרא סגור. אם ערכה של אומגה קטן מ-1, היקום פתוח, וימשיך להתפשט לעד. אם ערכה של אומגה שווה ל-1 – מצב זה קרוי צפיפות קריטית – היקום ימשיך להתפשט, אבל בקצב הולך ומואט שיתקרב בהתמדה למצב נייח, אבל לעולם לא יגיע ממש עד אליו. יקום זה נקרא שטוח. הדגמים היחסותיים של היקום מבוססים על רצף מרחב-זמן ארבעה-מימדי. המונחים סגור, פתוח ושטוח מתייחסים בדרך האנלוגיה לצורות הכדור, ההיפרבולה והמישור בגיאומטריה תלת מימדית.

לאחר תצפיות שנערכו בשנת 1998 בסופר-נובה מסוג Ia, על מנת לבדוק את תאוטת ההתפשטות, נתברר דווקא כי היקום מאיץ את קצב התפשטותו יותר מכפי שסברו בתחילה. אילו היה אלברט איינשטיין בחיים, אפשר שהיה טוען כי הסרת הקבוע הקוסמולוגי מתורת היחסות הכללית היתה "הטעות הגדולה של חייו", שכן קבוע זה שאינו משתנה בזמן, נחוץ ביותר על מנת לתקן את חוסר ההתאמה בין ההתפשטות הנצפית של היקום לבין שיעור המסה-אנרגיה הכוללת שלו, כפי שנמדדה. אפשר להסביר את חוסר ההתאמה בהימצאותה של אנרגיה אפלה שצפיפותה קבועה בזמן ואשר פועלת כאנטי-כבידה. מכל מקום, איינשטיין פיתח אד-הוק את הקבוע הקוסמולוגי עבור המודל השגוי של היקום הסטטי, ולכן אי אפשר לייחס את השימוש שנעשה בו כיום, לזה שנעשה בו בשנת 1917.

נכון לעתה ידוע כי ערכה של אומגה שווה לצפיפות הקריטית, והיקום הוא שטוח. רק כ-4.6 אחוזים מן הצפיפות הזו עשויים מן החומר הנראה, 22.7 אחוזים הם חומר אפל שניתן למדידה, ו-72.8 אחוזים הם אנרגיה אפלה שמשערים את קיומה (WMAP).

מכיוון שליקום יש גיל סופי, ואנו יכולים לצפות רק אל מרחק בן 13.75 מיליארד שנות אור – האופק שלנו – אזי איננו יכולים לדעת מה מתרחש מעבר לו. יתכן שבהחלט כי מצוי שם מרחב-זמן שונה לגמרי מזה אשר ידוע לנו. אם לא כך הם פני הדברים, ואם היקום יתפשט עוד מיליארדי שנים, יחדלו להאיר הכוכבים הגדולים ויתפוצצו כסופר-נובות. אחריהם, ידעכו הכוכבים הקטנים יותר ויהיו לננסים לבנים או לערפיליות פלנטריות. גם המנגנון של יצירת כוכבים מענני גז ייעצר, כשכל המסה שהיתה באותם עננים תהפוך לאנרגיה. בסופו של דבר, גם החורים השחורים יתאדו וכוכבי הנויטרונים יפסיקו ליצור שדות מגנטיים. ייוותר, אם כך, יקום נרחב מאד ללא כוכבים מאירים.

לקריאה נוספת:

Albert Einstein. 1915. Die Feldgleichungen der Gravitation. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften. Seite: 844-847

Willem de Sitter. 1916. Space, time, and gravitation. The Observatory 39: 412-419

Willem de Sitter. 1916-1917. Einstein's theory of gravitation and its astronomical consequences. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 76: 699-728, Vol. 77: 155-184, Vol. 77: 155-184

Albert Einstein. 1917. Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie. Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften. Seite: 142-152

Willem de Sitter. 1917. On the relativity of rotation in Einstein"s theory. Koninklijke Nederlandsche Akademie van Wetenschappen Proceedings, Vol. 19, Issue 1: 527-532

Willem de Sitter. 1917. On the relativity of inertia. Remarks concerning Einstein's latest hypothesis. Koninklijke Nederlandsche Akademie van Wetenschappen Proceedings, Vol. 19, Issue. 2: 1217-122

Willem de Sitter. 1918. On the curvature of space. Koninklijke Nederlandsche Akademie van Wetenschappen Proceedings, Vol. 20, Issue 1: 229-243

Willem de Sitter. 1918. Further remarks on the solutions of the field-equations of the Einstein's theory of gravitation. Koninklijke Nederlandsche Akademie van Wetenschappen Proceedings, Vol. 20, Issue 2: 1309-1312

Alexander Alexandrovich Friedman. 1922. Über die Krümmung des Raumes. Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, Vol. 10, No.1: 377-386

Alexander Alexandrovich Friedman. 1924. Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes. Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, Vol. 21 No. 1: 326-332

Georges Lemaître. 1927. Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques. Annales de la Societe Scientifique de Bruxelles, Vol. 47: 49-59

Vesto Melvin Slipher. 1913. The radial velocity of the Andromeda Nebula. Lowell Observatory Bulletin, Vol. 1: 56-57

Carl Wilhelm Wirtz. 1918. Über die Bewegungen der Nebelflecke. Astronomische Nachrichten 206, No. 4933, Seite: 109-116

Edwin Powell Hubble. 1929. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 15, No. 3: 168-173

Edwin Powell Hubble & Milton Lasell Humason. 1931. The Velocity-Distance Relation among Extra-Galactic Nebulae. The Astrophysical Journal, Vol. 74: 43-80

Albert Einstein & Willem de Sitter. 1932. On the Relation between the Expansion and the Mean Density of the Universe. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 18, Issue 3: 213-214

Howard Percy Robertson. 1935-1936. Kinematics and world structure. The Astrophysical Journal, 82: 284-301, 83: 187-201, 83: 257-271

Arthur Geoffrey Walker. 1937. On Milne’s theory of world-structure. Proceedings of the London Mathematical Society, s2-42 (1): 90-127

Ralph Asher Alpher & George Gamow. 1948. The Origin of Chemical Elements. Physical Review, Vol. 73, Issue 7: 803-804

George Gamow. 1948. The Origin of Elements and the Separation of Galaxies. Physical Review, Vol. 74, Issue 4: 505-506

George Gamow. 1948. The Evolution of the Universe. Nature 162: 680-682

Ralph Asher Alpher & Robert Herman. 1948. On the Relative Abundance of the Elements. Physical Review, Vol. 74, Issue 12: 1737–1742

Fred Hoyle. 1948. A New Model for the Expanding Universe. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 108: 372-382

Hermann Bondi & Thomas Gold. 1948. The Steady-State Theory of the Expanding Universe. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 108: 252-270

Hermann Bondi. 1948. Review of Cosmology. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 108: 104-120

Fred Hoyle. 1949. On the Cosmological Problem. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 109: 365-371

Thomas Gold. 1949. Creation of Matter in the Universe. Nature 164: 1006-1007

Fred Hoyle. 1949. Stellar Evolution and the Expanding Universe. Nature 163: 196-198

Edwin Ernest Salpeter. 1952. Nuclear Reactions in Stars Without Hydrogen. The Astrophysical Journal 115: 326-328

Eleanor Margaret Burbidge, Geoffrey Ronald Burbidge, William Alfred Fowler & Fred Hoyle. 1957. Synthesis of the Elements in Stars. Reviews of Modern Physics, Vol. 29, Issue 4: 547-650

Arno Allan Penzias & Robert Woodrow Wilson. 1965. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s. The Astrophysical Journal, Vol. 142: 419-421

Robert Henry Dicke, James Edwin Peebles, Peter Roll & David Todd Wilkinson. 1965. Cosmic Black-Body Radiation. The Astrophysical Journal, Vol. 142: 414-419

George Fitzgerald Smoot et al. 1992. Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps. The Astrophysical Journal, Vol. 396, Part 2-Letters, No. 1: L1-L5

Adam Guy Riess et al. 1998. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant. The Astronomical Journal, Vol. 116, No. 3: 1009-1038

Eiichiro Komatsu et al. 2011. Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation. The Astrophysical Journal Supplement Series, Vol. 92, No. 2

Advertisements

יצירה של אתר חינמי או בלוג ב־WordPress.com.
Entries וכן תגובות feeds.