ראשית היקום

1. צפונות היקום ראשית היקום או המפץ הגדול דוד פולישוק החוג למדעים פלנטריים אוניברסיטת תל-אביב 25/1/2006

2. קוסמולוגיה • קוסמולוגיה הינה תורה מדעית המתארת את מבנה היקום. • העיקרון הקוסמולוגי: • בקנה מידה גדול, היקום הוא הומוגני ואיזוטרופי: • הומוגני – במקומות שונים ביקום נמדדים פרמטרים פיסיקליים זהים. • איזוטרופי – בתצפית לכיוונים שונים נמדדים פרמטרים פיסיקליים זהים.

3. קוסמולוגיה היינריך אולברס • פרדוקס אולברס – למה השמים כהים בלילה? • אם היקום אינסופי ובכל מקום יש כוכב או גלקסיה השמים צריכים להיות לפחות בבהירות ממוצעת של כוכב. • על אף שעוצמת האור דועכת עם ריבוע המרחק, הנפח גדל בשלישית ואיתו מספר הכוכבים המאירים את השמים! • פתרונות אפשריים לפרדוקס אולברס: • אבק רב בחלל חוסם את אור הכוכבים. • ביקום יש מספר מצומצם של כוכבים. • הכוכבים מסתירים זה את זה. • היקום מתפשט, כך שתדירות קרינת האור הולכת ופוחתת. • היקום צעיר, ואור רחוק עוד לא הגיע אלינו. האבק היה מתחמם וקורן – והוא לא. עדין יש מספיק כוכבים. סותר את העיקרון הקוסמולוגי. ? ?

4. הגלקסיות מתרחקות • אדווין האבל מגלה: • הגלקסיות הינן גופים נפרדים ורחוקים משביל החלב • הספקטרום של רוב הגלקסיות מוסח לאדום אדווין האבל

5. אפקט דופלר והסחה לאדום אפקט דופלר: שינוי תדירות הגל כאשר המקור נע ביחס לקולט. מידת ההסחה z מוגדרת מתוך השינוי בתדירות: λ0הוא אורך הגל הנפלט λ הוא אורך הגל הנצפה z חיובי – הסחה לאדום z שלילי – הסחה לכחול מידת ההסחה z קובעת את מהירות הגוף: v = z×c (אבל רק עבור מהירויות נמוכות) λ-λ0 λ0 z =

6. חוק האבל • אדווין האבל מגלה: • הגלקסיות הינן גופים נפרדים ורחוקים משביל החלב • הספקטרום של רוב הגלקסיות מוסח לאדום • ככל שהגלקסיה רחוקה יותר כך היא מתרחקת מהר יותר • חוק האבל: קיים יחס ישר בין המרחק למהירות הגלקסיות – קבוע האבל H: • v = H×r אדווין האבל

7. חוק האבל כסרגל מדידה • מכאן שאם נמדוד הסחה לאדום של z = 0.01, נסיק מהירות של: v = z×c = 0.01×300,000 == 3,000 km/s • קבוע האבל מוערך בכ-60 ק"מ לשנייה למגה פרסק • עכשיו נוכל לדעת את המרחק לגלקסיה: r = v/H = 3,000/60 == 50 Mpc אדווין האבל

8. היקום מתפשט! • אם הגלקסיות מתרחקות – ניתן להסיק שהן היו פעם קרובות – היקום מתפשט. • למטר טען שהיקום התחיל מ-"אטום ראשוני" – עולם נקודתי. • היקום נוצר כאשר הנקודה החלה להתרחב – והוא ממשיך להתפשט. • הזמן שלקח ליקום להתפשט מתחבא בחוק האבל: r = v/H. ל-1/H ממדים של זמן וזהו גיל היקום! • אבל יש כמה בעיות... ג'ורג' למטר

9. היקום המתפשט - שאלות • האם העיקרון הקוסמולוגי נשמר? • האם הכל התחיל מ"כאן"? האם יש לנו ייחוד? • מה בדיוק מתפשט? החומר או המרחב? • האם קבוע האבל הוא באמת... קבוע? • מהו גיל היקום? • האם זהו פיתרון לפרדוקס אולברס? • מה גרם להתפשטות?

10. היקום המתפשט והעיקרון הקוסמולוגי • העיקרון הקוסמולוגי נשמר משום שמבחינתה של כל גלקסיה, הגלקסיות האחרות מתרחקות ממנה – ללא חשיבות לכיוון שבו צופים (איזוטרופיות).

11. מהיכן היקום התחיל להתפשט? • היקום התחיל להתפשט בכל מקום... • מכיוון שהיקום הוא אינסופי אין לו נקודת התחלה וסוף.

12. המרחב מתפשט • אם היקום היה דו-מימדי ניתן היה להשוותו לניפוח בלון. • כל גלקסיה נשארת באותו המקום אבל מתרחקת משאר הגלקסיות. • למעשה המרחב מתפשט: יחידות האורך גדלות. • החומר לא גדלאו מתפשט! http://hal.physast.uga.edu/~rls/1020/ch23/hubbletime.swf

13. קצב ההתפשטות • האם קבוע האבל היה קבוע בכל ההיסטוריה? • התשובה שלילית - קצב ההתפשטות השתנה. • כלומר, קבוע האבל תלוי בזמן – H(t). • נקבל הערכה בלבד לגיל היקום.

14. פתרון לפרדוקס אולברס היינריך אולברס • אם ליקום יש גיל הרי שיש לו גבול נראה. • האור הספיק לנוע מרחק השווה למהירות האור כפול גיל היקום. • אנחנו לא יכולים לראות דברים שמעבר למרחק הזה ! • לכן השמים אינם מלאים בכוכבים והפרדוקס נפתר.

15. תורת המצב העמיד • לא כולם הסכימו לרעיון שליקום הייתה התחלה. • לפי המדידות של האבל גיל היקום צעיר מדי (ביחס לזמן חייהם של גלקסיות) - אבל העניין מסתדר בעזרת מדידות מדויקות יותר. • פרד הויל התנגד לתיאוריה הזו וכינה אותה בלעג בשם "המפץ הגדול" (The Big Bang) – השם תפס... • תורת המצב העמיד היא תיאוריה חלופית – היקום היה קיים מאז ומעולם – כלומר, היקום הומוגני ואיזוטרופי גם בזמן. • היקום מתפשט בעזרת חומר חדש שנוצר יש מאין. • בעיות: סותר את עיקרון שימור המסה, צריכות היו להיות גלקסיות חדשות וישנות ועוד בעיות. פרד הויל

16. הוכחה למפץ הגדול • נבואה של גאורג גאמוב: • תהליך המפץ הגדול מחייב שחרור של אנרגיה רבה, שנפלטת כקרינת גוף שחור. • כזכור, קרינת גוף שחור מלמדת על הטמפרטורה של הגוף. • בגלל התפשטות היקום עוצמת הקרינה והטמפרטורה קטנו. • בגלל שהיקום נוצר בכל מקום, ולפי העיקרון הקוסמולוגי, נוכל למדוד את הקרינה בכל כיוון. • לפי התיאוריה קרינת המפץ הגדול, בהווה, קורנת בטמפרטורה של 2.70 קלווין (כלומר, 2.70 מהאפס המוחלט). גאורג גאמוב קרינת גוף שחור

17. קרינת הרקע הקוסמית • פנזיאס ווילסון, מהנדסים במעבדות בל, בודקים רעש רקע שנקלט באנטנת רדיו חדשה. • הרעש לא נבע מהמכשיר או מגוף זר והקרינה נקלטה מכל כיוון. • מרוב ייאוש, פנזיאס ווילסון חשבו שמדובר בהפרעות של שלשלת יונים, ודאגו לנקות את האנטנה – אך הקרינה נשארה... • הטמפרטורה של תדירות הקרינה (זוכרים את חוק ווין?) הייתה: • 2.70 מעל האפס המוחלט ! • נמצאה ההוכחה שהיקום נוצר ב-"מפץ הגדול". פנזיאס ווילסוןעם טלסקופ הרדיו

18. קרינת הרקע הקוסמית • בעיה: האטמוספרה חוסמת חלק מהקרינה הקוסמית. • הלווינים קובי (COBE) ו-WMAP מדדו את הקרינה מהחלל. • תוצאות: • באזורים גדולים היקום אחיד. • הקרינה נצפית בכל כיוון. • נמצאו הבדלי צפיפויות זעיריםבקרינה (בשיעור של 1:100,000). • ההבדלים הם הבסיס ליצירת המבניםהגדולים וצבירי הגלקסיות ביקום. הלווין קובי

19. עקרונות ביצירת היקום • ככל שהיקום צעיר יותר כך הוא צפוף יותר. • ככל שהיקום צפוף יותר כך הוא חם יותר. • ככל שהיקום צפוף יותר כך יהיו יותר התנגשויות.

20. שלבים ביצירת היקום • זמן 0 – המפץ – היקום מתחיל להתפשט. • זמן 1/1043 שניות – זמן פלאנק – בזמן קצר יותר אין ביכולתנו להעריך מה קרה ולמה. • זמן 1/1035 שניות – אינפלציה – היקום מתפשט במהירות עצומה. • עד זמן 1/105 שניות – עידן ההדרונים – היקום צפוף מספיק כדי לאפשר יצירה והשמדה של חלקיקים כבדים. • זמן 1/105 שניות – עידן הלפטונים – הצפיפות יורדת כך שנוצרים חלקיקים קטנים של חומר ואנטי חומר (לפטונים) שנוצרים ונעלמים (אינהלציה). בסוף התקופה הניוטרינוס נפרדים משאר החומר (כלומר לא מגיבים אליו). • זמן 10 שניות – עידן הפלסמה – נוצרים פרוטונים, אלקטרונים, ניוטרונים ופוטונים. מספיק חם כך שהחומר מיונן.

21. שלבים ביצירת היקום • זמן 1 דקה – ריאקציות תרמו-גרעיניות, יצירת אזוטופים של הליום ומימן (דאוטריום). • זמן 300,000 שנים – עידן השחבור – פרוטונים, ניוטרונים ואלקטרונים יוצרים את האטומים הראשונים: מימן והליום.כעת, הצפיפות נמוכה מספיק כך שהפוטונים לא יתנגשו באלקטרונים והיקום נעשה שקוף. הפוטונים קורנים ב-4,0000, ומקרינה זו נותרה היום קרינת הרקע הקוסמי (2.70). • זמן מיליארד שנה – תחילת יצירת גלקסיות וצבירים. • זמן 3 מיליארד שנה – תחילת יצירת כוכבים. יסודות כבדים בסופרנובות. • זמן 10 מיליארד שנה – היווצרות מערכת השמש.

22. שלבים ביצירת היקום יצירת גלקסיות, כוכבים, יסודות כבדים עידן הלפטונים אינפלציה עידן ההדרונים עידן הפלסמה עידן השחבור המפץ תחילתה של קרינת הרקע הקוסמית זמן פלאנק יצירתמערכת השמש והחיים על הארץ

23. המפץ הגדול: שאלות • מדוע התרחש המפץ הגדול? • מה התרחש לפניו? • האם התפשטות היקום • מאיטה? • מאיצה? • עוצרת?