הפרדוקס של גיל היקום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

גלקסיה ספירלית NGC-1300

הפרדוקס של גיל היקום הוא סתירה-לכאורה, בין שתיים מהתאוריות המקובלות ביותר בקוסמולוגיה המודרנית: המפץ הגדול המסביר את התפשטות היקום מחד, והתאוריות בדבר מנגנוני הפעולה של כוכבים מאידך.

לפי נתונים שנאספו בראשית שנות ה-90 של המאה ה-20 נראה היה שישנם ביקום כוכבים שגילם עולה על גילו של היקום עצמו - דבר שכמובן בלתי אפשרי. עד סוף אותו עשור נערכו מדידות נוספות, שמהן עלה כי היקום זקן משחשבו, ואילו הכוכבים צעירים משחשבו; נראה שמדידות אלה מיישבות את הפרדוקס.

[עריכה] מרחקים ביקום

כדי למדוד מרחקים על-פני כדור הארץ, משתמשים במכשירי מדידה שאותם משווים זה לזה, ובסופו של דבר למטר. בחלל האפשרות הזו אינה קיימת - אין לנו שום דרך ישירה למדוד את המרחק לגלקסיה אחרת. לצורך הערכת מרחקים בחלל, אסטרונומים נעזרים בכמה סולמות מדידה, שאותם מכיילים זה ביחס לזה, כפי שסולמות המשמשים בכיבוי אש ניתנים להארכה על ידי שילוב רכיבים זה בזה.

הסולם הראשון מבוסס על שיטת הפרלקסה: השוואת מקומו של כוכב על רקע גלקסיות מרוחקות, בשתי מדידות הנערכות בהפרש של שישה חודשים. בתקופה זו נושא כדור הארץ עימו את מצפה הכוכבים מהלך 300 מיליון קילומטר (קוטר המסלול סביב השמש). חישוב טריגונומטרי מנפק, בדיוק רב למדי, את מרחקו של הכוכב הנצפה מאיתנו. (חישוב זה תלוי כמובן בידיעת המרחק מכדור הארץ לשמש, שאותו אפשר לראות כ"סולם האפס" בסדרת הסולמות). חסרונה של שיטת הפרלקסה הוא שהיא מוגבלת לכוכבים קרובים יחסית (עד כ-250 פארסק, כ-750 שנות אור)^[1].

בהמשך הסדרה מופיע הסולם של המשתנים הקפאידיים. אלו הם כוכבים משתנים, שמנגנון הפעולה שלהם מובן היטב, עד שהם מכונים "נרות סטנדרטיים". ידוע לנו, למשל, הקשר בין הבהירות האמיתית של כוכב כזה (עוצמת התאורה שלו) לבין קצב השינוי בעוצמת ההארה. את קצב השינוי אפשר למדוד בדייקנות רבה, והבהירות האמיתית קושרת כמובן את הבהירות הנראית מכדור הארץ, למרחקו של הכוכב מאיתנו. למרבה המזל ישנם משתנים קפאידיים קרובים מספיק, שאת המרחק שלהם אפשר לחשב בשיטת הפרלקסה, וכך יכולים האסטרונומים לקשור את שני סולמות המדידה, ולקבל הערכה סבירה למרחקו של כוכב משתנה כזה.

[עריכה] גיל היקום

ערך מורחב – גיל היקום

כדי לחשב את גיל היקום, משווים אסטרונומים מדידות משני סוגים: מהירות ההתרחקות של הגלקסיות משביל החלב, נתון שאותו אפשר למדוד בדיוק רב באמצעות אפקט דופלר, והמרחק מאותן גלקסיות, שאותו קשה יותר להעריך. היחס הממוצע בין שני הנתונים הוא קבוע האבל. כאשר מציבים את הקבוע הזה במשוואות היסודיות של תאוריית המפץ הגדול (כגון משוואות פרידמן), מתקבלת הערכה לגיל היקום.

ההערכה שלנו לגיל היקום תלויה, אם כן, בהערכת המרחק מגלקסיות מרוחקות - ועם זאת, גם מידות הדיוק שבשתי ההערכות תלויות זו בזו.

עד תחילת שנות התשעים היה קבוע האבל מוערך ב- 50-100 קילומטרים לשנייה למיליון פארסק; ערכים אלה מתאימים ליקום שגילו בין 10 ל-20 מיליארד שנה.

[עריכה] יקום צעיר, כוכבים זקנים

במהלך שנת 1994 התגלו, בסיועו של טלסקופ החלל האבל, משתנים קפאידיים בגלקסיה הספירלית M100. גלקסיה זו, שהתגלתה בשנת 1781, מצויה בצביר שערות ורוניקה, בצפון הגלקטי של צביר-על הבתולה. בעבר הוערך שמרחקה מאיתנו מעל 60 מיליון שנות אור. כעת הוערך המרחק ב-51 מיליון שנות אור בלבד. שינוי זה בקנה המידה הגלקטי גרם להתכווצות של היקום, ואיתה להורדת גילו עד ל-8 מיליארד שנים.

מן העבר השני ניצבות התאוריות המקובלות על אבולוציה של כוכבים: מנגנוני הפעולה התרמו-גרעיניים שלהם, והזמן העובר עד שהם שורפים את הדלק הגרעיני ועוברים משלב לשלב. לפי תאוריות אלה, ישנם ביקום כוכבים שגילם מוערך ב-15-12 מיליארד שנה, בסתירה לאפשרות שהיקום עדיין לא הגיע לגיל מופלג זה.

הממצאים הביאו אסטרונומים ופיזיקאים לבחון את התאוריות השונות המעורבות בסתירה: המפץ הגדול, מנגנוני הבעירה של הכוכבים, ואפילו המודל הסטנדרטי העומד ביסוד התאוריה האחרונה. ברקע עמדה כל העת האפשרות שהמדידות אינן מדויקות דיין, והמדענים קיוו שמדידות מדויקות יותר ישפכו אור על התעלומה.

[עריכה] היקום נושם לרווחה

בשנת 1997 אסף לוויין המחקר היפארכוס (Hipparcos) נתונים חדשים, שהביאו להערכה מחודשת של המרחק והבהירות של כמה משתנים קפאידיים סמוכים. התברר שכוכבים אלה בהירים יותר, ורחוקים יותר, ממה שחשבו קודם לכן. משמעותו של שינוי זה בנר הסטנדרטי הייתה שהגלקסיה M100 רחוקה ב-10% יותר מאשר ההערכה הקודמת (היום מעריכים שמרחקה מאיתנו 56 מיליון שנות אור, עם סטיית תקן של 6 מיליון). בעקבות כך השתנתה ההערכה לגילו של היקום, לכ-13 מיליארד שנה.

במקביל, אסף היפארכוס נתונים גם על כוכבים בעננות הכדוריות הסמוכות לשביל החלב. עכשיו מוערך גילם של כוכבים אלה, שהם מהעתיקים הידועים לנו, ב-12-9 מיליארד שנים - פחות מגילו המעודכן של היקום.

מאוחר יותר, ב-2004, נבנתה מפה מפורטת של קרינת הרקע של המפץ הגדול, והיום מוערך גיל היקום ב-13.7 מיליארד שנה (עם סטיית תקן של 1%). הכוכבים הראשונים נולדו כשהיקום היה בן 200 מיליון שנה, והם צעירים ממנו, כדין.