שיחה עם פרופ' אבישי דקל    🔗

אסטרופיסיקאי, קוסמולוג, וראש מכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית.

הקוסמולוגיה היא תחום ידע שהתרחב והעמיק בקצב מדהים במהלך המאה העשרים, ואף־על־פי־כן קצב התשובות לא עומד בקצב השאלות. התחלנו את המאה שלנו עם יקום בן כמה מיליוני שנים, שהכיל גלאקסיה אחת, ואנחנו מסיימים אותה עם יקום המורכב מיותר ממאה מיליארד גלאקסיות, אשר כל אחת מהן מכילה עד מאה מיליארד כוכבים; יקום שהשוליים שלו רחוקים מאתנו יותר מ־12 מיליארד שנות אור. היקום של תחילת המאה היה נייח ובלתי משתנה. היום זהו יקום דינמי, המתפשט במהירות רבה, והוא מכיל מגוון רחב של גלאקסיות וכוכבים בעלי שמות אקזוטיים, כמו ענקים אדומים, כוכבים מתפוצצים, ננסים לבנים, ננסים חומים, כוכבים כחולים, קוואזרים, פולסרים, גמדים חומים ואפילו חורים שחורים – גופים מסתוריים שלא ניתנים לגילוי במישרין, למרות שהמאסה שלהם שקולה לפעמים למיליארד שמשות. והנה, מול השפע העצום הזה של כוכבים וגלאקסיות, התברר בתחילת שנות השבעים, כי סך כל המאסה שלהם מייצגת כעשרה אחוז בלבד מהחומר שאמור להיות ביקום. לאן נעלמו 90% הנותרים?

פרופ' דקל: החומר הזה נמצא בחלקו בתוך ומסביב לגלאקסיות המוארות בכוכבים, ובחלקו – כנראה – בחללים הגדולים שבין הגלאקסיות.

ינאי: מנין לנו שהוא שם?

פרופ' דקל: אנחנו יודעים שמהירות התנועה של גופים שמימיים נובעת מכוח משיכה גרביטציוני המופעל עליהם. על־פי מהירות תנועתם אפשר לחשב את גודל המאסה הגורמת להם לנוע במהירות הזאת. למשל, מהירות התנועה של כדור הארץ סביב השמש ניתנת לחישוב מהמאסה שלה ומהמרחק שלנו ממנה. אנחנו מודדים את מהירות התנועה של הכוכבים סביב מרכז הגלאקסיה, ותנועה סיבובית זו מעידה על הגלאקסיה שהיא מכילה הרבה יותר מאסה מכפי שיש בעשרה מיליארד הכוכבים שלה, למעשה פי עשרה יותר.

ינאי: אני מבין שבתעלומה הזאת מספר חוליות קשורות זו בזו: גיל היקום, מהירות התפשטותו וכמות המאסה בו. יש אסטרופיסיקאים המעריכים את קצב ההתפשטות ב־55 קילומטרים בשנייה, ויש המעריכים אותו ב־85. הפער הזה בין שתי ההערכות הוא משמעותי מאוד: אם ההערכה הנמוכה נכונה, אזי היקום הוא בן 16 מיליארד שנה בקירוב; אם ההערכה הגבוהה נכונה, יש לנו יקום צעיר מאוד, אולי 10–12 מיליארד שנה. במקרה השני, יש כוכבים זקנים מגיל היקום, וזה כבר יוצר פארדוקס. איך מיישבים אותו?

פרופ' דקל: צריך להבין שאנחנו עוסקים במדע כמותי, שנמצא בהתפתחות תמידית. כשאדווין האבל גילה שהיקום מתפשט הוא מצא שמהירות התרחקותה של גלאקסיה מאתנו הוא פרופורציוני (מתכונתי) למרחק שלה מאתנו, כלומר גלאקסיות רחוקות יותר נעות מהר יותר. היחס בין המהירות והמרחק הוא קבוע האבל. כשהאבל מדד את התפשטות היקום, הקבוע שלו עמד על כ־400 קילומטרים בשנייה (במרחק של שלושה מיליון שנות אור), והוא העריך את גיל היקום במיליארד שנה. היום אנחנו מדברים על מספרים שונים, הודות למכשור הרבה יותר מדויק.

ינאי: כדי לקבל את קבוע האבל מחלקים את מהירות ההתרחקות של גלאקסיה במרחק שלה מאתנו. מדידת המהירות לא מהווה בעיה, אבל איך מודדים מרחק?

פרופ' דקל: מדידת המרחק היא באמת עניין מורכב, ולכן היא גם מקור לשגיאות. משתמשים בשיטות שונות, מצליבים את התוצאות ומקבלים יקום בן 12 וחצי מיליארד שנה, פלוס־מינוס 15%. כלומר, יש לנו יקום שגילו בין 11 ל־14 מיליארד שנה.

ינאי: וזה מיישב את פארדוקס הגילים?

פרופ' דקל: בהחלט. הפארדוקס הטריד לזמן מה את קהילת האסטרופיסיקאים, בעיקר כאשר גילו כוכבים בני 17 מיליארד שנה ביקום שהיה אמור להיות בן 12 מיליארד שנה. הפארדוקס נפתר הודות לתוצאות תצפיתיות חדשות. לוויין של נאס"א “היפרקוס”, מדד מחדש את המרחקים לגלאקסיות המשמשות סמני מרחק, והוא מצא שהמדידה הקודמת הייתה שגויה בעשרה אחוז באומדן המרחק. אנחנו יודעים עכשיו שגיל הכוכבים הזקנים ביותר הוא לא 17 מיליארד שנה, אלא

1. גם קבוע האבל ירד בעקבות התיקון הזה, ומהירות ההתפשטות ירדה בהתאם מ־85 ל־65 קילומטרים לשנייה, במרחק של שלושה מיליון שנות אור.

ינאי: זה נשמע כמו תיקון אד־הוק להצלת המודל מפארדוקס.

פרופ' דקל: אני מבטיח לך שאף אחד לא ניסה לעשות תיקונים על הנייר. “היפרקוס” תוכנן על־ידי נאס"א לפני 15 שנה, זמן רב לפני שצץ פארדוקס הגילים. צריך להבין, האסטרונומיה המודרנית מפעילה עשרות טלסקופים, בכל אורכי הגל, הן על כדור הארץ והן בחלל. הם מזרימים אלינו נתונים וממצאים מכל הכיוונים, וכל שצריך לעשות כדי להבין את היקום הוא להפעיל את הכלים הפיסיקליים העומדים לרשותנו ואת הדמיון היוצר. זוהי מציאות חדשה, שבה תאורטיקן כמוני מרגיש כמו בגן עדן.

ינאי: הייתי רוצה לחזור צעד אחד לאחור, לשאלה הראשונה: איפה נמצא החומר האפל, המהווה 90%–95% מהמאסה הכללית של היקום? ואם הוא ישנו, למה איננו יכולים לגלות אותו?

פרופ' דקל: על חלק אחד כבר דיברנו, החלק שנמצא בהילות של הגלאקסיות. באשר לחלק האחר, אנחנו מנסים לגלות אותו בעזרת מעקב אחרי זרימות בקנה מידה מאוד גדול של גלאקסיות. תנועה זאת של שדות הזרימה הקוסמיים מגלה לנו גושים מאוד גדולים של מאסה מקובצת בצבירים ובצבירי־על של גלאקסיות, במרחק כמה מאות מיליוני שנות אור מאתנו. בין הגושים האלה יש מרחבים ריקים גדולים מאוד. בעזרת מהירויות זרימה, הנובעות מכוחות כבידה מקומיים, אנחנו מגלים סימנים לכך, שדווקא באזורים האלה יש הרבה חומר.

ינאי: אם הבנתי אותך נכון, מתקיימות שתי תנועות. תנועה אחת היא ההתפשטות הכללית של היקום, והיא גורמת לכל הגאלקסיות להתרחק זו מזו. בנוסף על התנועה הכללית הזאת מתקיימות גם תנועות מקומיות, שעשויות לנוע בניגוד לכיוון התנועה הכללית. לדבריך, התנועות המקומיות האלו מסייעות למדענים למקם את מקור החומר האפל ולמדוד את צפיפותו, הודות להשפעה הכבידתית שהוא מפעיל על סביבתו. אבל ממה עשוי החומר האפל הזה, מדוע איננו יכולים לגלותו במישרין?

פרופ' דקל: לשאלה ממה הוא עשוי, במכון “רקח” בירושלים אנחנו עוסקים בדיוק בשאלה הזאת. אנחנו מתקשים לגלותו כי הוא לא פולט קרינה אלקטרומגנטית.

ינאי: זה נשמע כמו חורים שחורים.

פרופ' דקל: גם. לכן, כל גוף שלא פולט קרינה – כמו השולחן הזה, כדור הארץ, חור שחור – יכול להיות חלק מהמאסה של החומר האפל. קיימות שתי אפשרויות מאוד שונות. האפשרות הראשונה היא שהחומר החשוך עשוי מחומר רגיל; אני מתכוון לאטומים המוכרים לנו המורכבים מנויטרונים, פרוטונים ואלקטרונים. מהחומר הזה, כידוע, עשויים גרמי השמיים – החל בפלנטות וכלה בחורים שחורים שבולעים הכול. הבעיה היא שהחומר האפל הזה מהווה אחוז קטן מדי מכדי לפתור את בעיית המאסה החסרה. במערכת השמש, למשל, המאסה הכוללת של כוכבי הלכת מסתכמת בפחות מאחוז מהמאסה של השמש. אם זהו גם היחס ביקום בכלל בין החומר המאיר לבין החומר האפל, צריך למצוא מקור אחר של חומר אפל, בנוסף לפלנטות המקיפות כוכבים כמו השמש שלנו. למשל, ייתכן שגופים כבויים – כמו פלנטות – שאינם פולטים קרינה, נמצאים לא רק ליד שמשות – ובכמות הרבה יותר גדולה מכפי ששערנו בעבר. לפי שעה לא מצאנו אותם.

ינאי: הזכרת קודם אפשרות שהמאסה החסרה לא בנויה מחומר רגיל, כלומר לא משני הקווארקים המרכיבים את כל החומר המוכר לנו, אלא מקווארק שלישי, או מהצירופים שלו עם הקווארקים הרגילים. במקביל מנסים לחפש את החומר האפל בכל מיני חלקיקים שונים ומשונים. מה מכל האפשרויות האלו נראית לך המבטיחה ביותר למציאת המאסה החסרה?

פרופ' דקל: מי החלקיק המחזיק במפתח לחידת המאסה החסרה, והיכן הוא נמצא, איננו יודעים. אבל אנחנו יודעים אילו תכונות צריכות להיות לו. המאסה שלו צריכה כמובן ליצור גרביטציה, אבל אסור לו ליצור קשר גרעיני חזק עם חומר אחר וגם לא להפעיל כוחות אלקטרומגנטיים.

ינאי: כי אם הוא היה מפעיל את הכוחות האלה היינו מגלים אותו מזמן.

פרופ' דקל: אמת. מותר לו להגיב לכוח הגרעיני החלש. הניוטרינו שהזכרת מגיב רק לכוח הגרעיני החלש (מלבד כוח הכבידה), ועובדה זאת מאפשרת לחלקיקים אלה לפלח את כדור הארץ בלי להתנגש באטומי החומר ממנו הוא מורכב. הדעה הרווחת בקרב הקוסמולוגים היא שהיקום עשוי מעשרה אחוז חומר רגיל – ממנו אתה ואני בנויים – והשאר חומר לא רגיל. 10% אלה מכסים את כל החומר המאיר ביקום – לרבות חומר לא מאיר דוגמת הפלנטות. 70% עשויים מחומר אפל קר, כלומר חומר המורכב להערכתנו מחלקיקים איטיים יחסית, בעלי תכונות ושמות שונים, כמו אקסיונים, ווימפס ופוטינים. כל אלה, כמובן, רעיונות תיאורטיים שלא הוכחו. בעניין הזה מתקיים מאמץ ניסיוני אינטנסיבי מאוד, וזה לא מפתיע, כי החומר האפל מחזיק בידו את המפתח לשאלה הכי מרכזית בקוסמולוגיה המודרנית: האם היקום פתוח או סגור.

ינאי: זה מחזיר אותנו לחידה המקורית: כמות המאסה ביקום קובעת את מהירות ההתפשטות של היקום, ולפיכך גם באיזה עולם אנחנו חיים: שטוח, פתוח או סגור. מה מסתתר מאחורי שלושת התסריטים האלה – שטוח, פתוח וסגור?

פרופ' דקל: שלושת התסריטים עוסקים בגיאומטריה של המרחב־זמן. הנחת המוצא בקוסמולוגיה מזה זמן רב היא שהיקום הוא אחיד, הומוגני ואין לו מרכז. זאת אומרת, אין שום נקודה ביקום הנהנית מעדיפות סטטיסטית על־פני נקודה אחרת. התוצאה הישירה של הנחה זאת היא שיש רק שלוש אופציות לגיאומטריה של המרחב. אופציה אחת היא שהיקום הוא שטוח, והיא גם האופציה המועדפת על־ידי תיאורטיקנים, משום שהיא מציעה את המודל הפשוט ביותר. יקום שטוח הוא יקום שחוקי הגיאומטריה האוקלידית פועלים בו, במובן זה שקווים מקבילים לעולם לא נפגשים בו, כמו בעולם המוכר לנו מחיי היומיום. האופציה השנייה היא יקום סגור. אם לתרגם בדמיוננו שלושה ממדים לשניים, זה ייראה כמו פנים של כדור. אנחנו מקבלים מרחב סופי, במובן זה שאם אתמיד ללכת בכיוון מסוים אחזור בסופו של דבר לאותה נקודה.

ינאי: בעצם, השורה התחתונה של יקום סגור היא, שבאיזה שהוא זמן בעתיד הוא יתחיל להתכנס חזרה לנקודה הדחוסה והזעירה שממנה התחיל את דרכו בעקבות “המפץ הגדול”.

פרופ' דקל: נכון. האופציה השלישית היא של יקום פתוח, אינסופי, שבו שני קווים מקבילים יתרחקו זה מזה.

ינאי: יקום המתפשט עד אינסוף?

פרופ' דקל: גם היקום השטוח מתפשט עד אינסוף, אבל בקצב איטי מאוד.

ינאי: נניח שהיינו יכולים ללוות את שתי האופציות המנוגדות, הפתוחה והסגורה, למשך עשרות מיליארדי שנים, האם ההרגשה האישית והפסיכולוגית בעולם פתוח אמורה להיות שונה מההרגשה בעולם סגור?

פרופ' דקל: בשני המקרים “נרגיש” רע מאוד בסוף הדרך. ביקום סגור, המתכווץ ונדחס בהתמדה, נרגיש כמו בנפילה לחור השחור, זאת אומרת נקָרע לגזרים. זה לא נעים, אבל לפחות מעניין. לעומת זאת, היקום האינסופי, שהוא כנראה היקום שלנו, יתפשט לנצח והוא ילך ויעשה יותר ויותר משעמם, ככל שהעצמים יתרחקו אלה מאלה. בשלב מסוים לא תהיה משמעות לכוחות המשיכה הגרביטציוניים, כי לא יימצאו יותר גאלקסיות וכוכבים חדשים – שהם מקורות האנרגיה הדרושים לחיים. זה אומר שהיקום יימצא בהתפשטות חופשית ואנחנו נמות מוות תרמי, כלומר התנועות תעלמנה, לא יהיו ריכוזי אנרגיה, והעולם יעשה מאוד משעמם ומאוד מלנכולי.

ינאי: זהו המוות התרמודינמי, קץ הקיצים, התחנה הסופית של היקום.

פרופ' דקל: מוות משעמם.

ינאי: בתחילת 1998 התגלו במפתיע ממצאים המעידים על כך שהיקום מתפשט במהירות מואצת, אינפלציונית, בהשפעת כוח דחייה בלתי מוכר, המנוגד לכוח המשיכה. מה זה צריך להיות?

פרופ' דקל: לכוח המשיכה יש אח תאום, עד עתה תיאורטי, הפועל באופן הפוך לכוח המשיכה, ועל כן הוא קרוי כוח דחייה. בשנת 1919 העלה אינשטיין את האפשרות לקיומו של כוח כזה כדי ליישב אי־התאמה בין משוואות תורת היחסות הכללית שלו לבין מודל היקום שנתפס בתקופתו כגוף נייח. עשר שנים לאחר מכן, כאשר אדווין האבל גילה שהיקום הוא גוף דינמי, הוא חזר בו וסילק את “הקבוע הקוסמולוגי” מהמשוואות שלו. הממצאים האחרונים, המראים שהיקום מתפשט בקצב אינפלציוני, מחזירים את הקבוע הקוסמולוגי למשחק.

ינאי: אפשר אולי לומר, שכוח הדחייה מחזיר גם את הסימטריה לפיסיקה. עד עכשיו, כוח הכבידה היה היחידי מבין ארבעת הכוחות הגדולים של הטבע שהיה לו כיוון פעולה אחד. עכשיו נוסף לו גם הכיוון השני.

פרופ' דקל: אכן, יש סימנים לכך שהגרביטציה כוללת בתוכה את שני המרכיבים האלה. עם זאת, ראוי לציין שהסימטריה עם כוח המשיכה איננה מלאה. כוח הדחייה, הקרוי “הקבוע הקוסמולוגי”, פועל רק במרחקים גדולים מאוד, ולאו דווקא בין גופים בעלי מאסה, והוא כוח הגורם להאצת ההתפשטות של המרחב עצמו. בכל מקרה, זה לא אושר עדיין בוודאות, וצריך להביא בחשבון תחום שגיאה אפשרי גדול למדי, אבל האינדיקציה קיימת. אם הייתי נדרש להמר על סמך הנתונים העומדים לרשותנו היום באיזה יקום אנו חיים, הייתי מהמר על יקום שיתפשט לנצח ושלעולם לא ייעצר.

ינאי: נניח שנדע את התשובות לכל השאלות הבוערות: הקבוע של האבל, מקום המסתור של החומר האפל, באיזה יקום אנו חיים – סגור, פתוח או שטוח – האם התשובות האלו יקרבו אותנו לשאלה המסקרנת ביותר: מה היה לפני שנוצר היקום?

פרופ' דקל: לאחר שהאבל גילה שהיקום מתפשט, עלתה השאלה מה גורם לו להתפשט. השאלה הזאת הביאה בסופו של דבר לגיבוש המודל התיאורטי של “המפץ הגדול”. על־פי מודל זה, כל החומר והאנרגיה שיש היום ביקום היו מרוכזים לפני 12–15 מיליארד שנים בצפיפות אין סופית. הבעיה היא, שמצב של צפיפות אין סופית הוא מחוץ לתחום טיפולי כפיסיקאי. כלי העבודה הפיסיקליים לא מסוגלים לטפל במצבים אינסופיים כאלה. הבעיה הזאת, המובנית בתוך המודל של “המפץ הגדול”, תמיד הפריעה לפיסיקאים, מפני שזה אומר שהמרחב והזמן התחילו ברגע מסוים לפני כך וכך מיליארדי שנה. ואם אנחנו חיים בעולם סגור, אזי בעוד כמה עשרות מיליארדי שנים היקום יחזור לאותו מצב מוכר לנו של צפיפות אינסופית ושל העדר זמן – כפי שהתקיים בנקודת היווצרותו. בקיצור, זה לא אלגנטי. כדי לפתור בעיה זו הוצעה תיאוריה של רב־יקום אינסופי במרחב ובזמן, שבו מתרחשים “מפצים גדולים” בנקודות שונות ובאופן אקראי. אנחנו חיים באזור כזה, שבו התרחש המפץ לפני כ־12 מיליארדי שנה.

ינאי: מאחר שאי־אפשר לעשות במעבדה סימולציה של “המפץ הגדול”, מה הסיכוי לקבל תשובות קונקרטיות לשאלות אלה?

פרופ' דקל: אני חושב שבעשור הקרוב אנחנו נקבל תשובות קונקרטיות, בעזרת מדידות ותצפיות של לוויינים, נוכל לקבל תוצאות הרבה יותר מדויקות מהיום בכל הקשור לצפיפות החומר ביקום, מהירות ההתפשטות, הקבוע הקוסמולוגי ושאר הקבועים שקובעים את הגיאומטריה של היקום ואת גורלו.