המחלוקת על התפשטות היקום

"המשבר נמנע", בישרו הכותרת של כמה כלי תקשורת באמצע יוני השנה. "היקום עדיין מתפשט". חלקן אפילו ציינו שהוא מתפשט בקצב מואץ. ה"משבר" היה מחקר של קבוצת מדענים מקוריאה הדרומית שפורסם בנובמבר 2025, ובו טענו המחברים כי היקום עדיין מתפשט, אבל קצב ההתפשטות פוחת והולך.

הטענה עוררה התרגשות רבה יותר בתקשורת הפופולרית מאשר בקהילת הקוסמולוגים. ואכן – לא עבר זמן רב, בערך שבעה חודשים – עד לפרסום מאמר ראשון שמפריך את ממצאי החוקרים הקוריאנים ומבהיר כי היקום עדיין מתפשט בקצב מואץ. אפשר לחזור לישון בשקט.

אנחנו יודעים כבר קרוב למאה שנה שהיקום מתפשט, ובעשורים האחרונים אנו גם יודעים שהוא מתפשט מהר יותר ויותר כל הזמן. למעשה, על המאמר שמפריך את התיאוריה הקוריאנית חתומים גם אדם ריס (Riess) ובראיין שמידט (Schmidt), שניים משלושת חתני פרס נובל בפיזיקה על גילוי ההתפשטות המואצת של היקום.

אבל למרות הידע הרב שהצטבר, הפיזיקאים עדיין אינם יודעים לענות מה הכוח שמניע את ההתפשטות הזו, לאן בדיוק היא מובילה, ואפילו לא מסכימים על קצב ההתפשטות של היקום. הוויכוחים על קצב ההתפשטות ממלאים הרים של מאמרים, מלהיטים את היצרים בכנסים מדעיים וגם מקבלים לא מעט תקציבי מחקר. אז על מה בעצם הוויכוח?

איך מודדים את התפשטות היקום? וכיצד טלסקופ החלל הישראלי יוכל אולי לסייע בהכרעת המחלוקת?

עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי: תאי ההרג המתאבדים של הפלנריה להסתכל וללמוד: התרבות הנסתרת של השימפנזים הפוטנציאל הקטלני של גלי הקול הטעות הגדולה ביותר בתחילת המאה העשרים עבדה במצפה הכוכבים של אוניברסיטת הרווארד אסטרונומית בשם הנרייטה ליוויט (Leavitt).

היא הייתה חלק ממחלקת המחשבים של המצפה, שלא כללה מכונות חישוב – אלה לא היו עדיין – אלא בני אנוש שעשו מדידות וניתוח נתונים בצילומים שנעשו בטלסקופים. בתקופה ההיא החליף מנהל המצפה את המחשבים במחשבות, משום שחשב שהנשים יעשו עבודה יסודית יותר, ולא פחות חשוב – היה אפשר לשלם להן פחות.

לצד העבודה הסיזיפית כמחשבת, ביצעה ליוויט מחקרים משלה, והתמקדה בחקר כוכבים שנקראים "משתנים קפאידים". אלו כוכבים שבהירותם משתנה במחזוריות קבועה, וליוויט היתה מומחית בזיהוי שלהם בצילומים האסטרונומיים ובמעקב אחרי השינויים בבהירותם. לאחר שזיהתה מאות כוכבים כאלה, ביקשה ליוויט לבדוק אם יש קשר בין משך המחזור לבהירות שלהם.

הבעיה היא שאין לנו אפשרות לדעת את הבהירות המוחלטת של כוכבים, אם אנו לא יודעים את מרחקם מאיתנו. כוכב רחוק אבל זוהר מאוד ייראה לנו בהיר כמו כוכב קרוב בעל אור חלש יותר. ליוויט פתרה את זה כשהחליטה להתמקד באזור בשמיים בשם הענן המגלני הקטן. כיום אנו יודעים שזו גלקסיה ננסית, קרובה יחסית לשביל החלב שלנו.

ליוויט שיערה שהכוכבים שם מספיק רחוקים כדי שאפשר יהיה לומר שמרחקם מאיתנו פחות או יותר זהה, וכך לכייל את הבהירות שלהם. כשהיא השוותה אותה לזמן המחזור, מצאה קשר הדוק בין התופעות: ככל שזמן המחזור ארוך יותר, כך הכוכב בהיר יותר.

כשאסטרונומים אחרים השלימו את העבודה, והצליחו למדוד בשיטות אחרות, גיאומטריות, את המרחק לאחד הקפיאידים, הפכה השיטה של ליוויט מכלי שמשווה מרחקים יחסיים, למד מרחק מוחלט.

ליוויט הלכה לעולמה ב-1921, בגיל 53 בלבד, ולא זכתה לראות שב-1924 השתמש האסטרונום האמריקאי אדווין האבל (Hubble) בשיטה שלה כדי למדוד את המרחק לקפאיד משתנה בערפילית אנדרומדה, ולגלות שהיא גלקסיה נפרדת, הרחק מחוץ לשביל החלב. עד מהרה אימתו אסטרונומים נוספים את ההשערה ששביל החלב שלנו הוא רק אחת מתוך גלקסיות רבות ביקום.

זמן קצר לאחר מכן הצליח האסטרונום האמריקאי וסטו סליפר (Slipher) למדוד את מהירותן של גלקסיות ביחס אלינו. הוא עשה זאת באמצעות ספקטרוסקופ – מכשיר שמנתח את הרכב האור של גרמי שמיים ומאפשר למדוד את מהירותם וכיוונם בעזרת אפקט דופלר.

גלים שמתקרבים אלינו (או אנו אליהם) ייראו לנו צפופים יותר, בעלי תדירות גבוהה מתדירותם ה"אמיתית", ובטווח האור הנראה הן ינועו יותר לכיוון של אורכי הגל הכחולים. גלים שמתרחקים מאיתנו יגיעו בתדירות נמוכה יותר, וייראו יותר אדומים. לכן האסטרונומים מכנים זאת “הסחה לאדום” (Redshift).

האבל לקח את המדידות של סלייפר שלב אחד קדימה, וניסה לבדוק אם יש קשר בין שני הדברים שיכול היה למדוד: המרחק של גלקסיה מאיתנו והמהירות שלה. להפתעתו, היה מתאם ברור: ככל שגלקסיה הייתה רחוקה יותר, כך היא הייתה יותר מוסחת לאדום, כלומר נעה מהר יותר הלאה מאיתנו.

לגילוי שפורסם ב-1929 וקיבל את השם "חוק האבל", הייתה השלכה מדעית שטלטלה את תפיסת היקום שלנו. אם הגלקסיות ממשיכות להתרחק במהירות זו מזו, פירוש הדבר שהיקום אינו סטטי, אלא מתרחב והולך – כמו בלון מתנפח. כשאלברט איינשטיין ניסח את תיאוריית היחסות הכללית, ב-1915, הוא הגדיר מחדש את המרחב והזמן ואת הכוחות שפועלים עליהם.

אבל חישובים שלו לפי משוואות התיאוריה הראו שהכבידה תגרום לקריסה של היקום לתוך עצמו. כדי להתמודד עם קריסת היקום, הוא איזן את המשוואות בעזרת תוספת שקיבלה את הכינוי "הקבוע הקוסמולוגי".

כמה מדענים שלא הלכו עם הזרם, בהם המתמטיקאי הרוסי אלכסנדר פרידמן (Friedmann) והפיזיקאי (והכומר) הבלגי ז'ורז' למטר (Lemaître), ראו את הבעייתיות בתיאוריה, והציעו פתרון אחר מזה של איינשטיין – היקום אינו קבוע אלא מתפשט ומתרחב.

איינשטיין התנגד תחילה לרעיונות האלה, וכשהכיר בהם טען שהם נכונים מתמטית, אבל אין להם משמעות פיזיקלית. לאחר שהאבל פרסם את ממצאיו, גם איינשטיין לא היה יכול להמשיך להתעלם מהעובדה שהיקום אינו סטטי, אלא מתרחב. הוא מחק מהמשוואות את הקבוע הקוסמולוגי, ולימים כינה אותו "הטעות הגסה ביותר שעשיתי בחיי".

זה היה החותם הסופי לכך שהיקום אכן מתפשט. שאלה של מהירות לאחר הגילוי המפתיע שהיקום אינו סטטי אלא מתפשט, ניסו הפיזיקאים להבין כמה מהר הוא מתפשט. שוב היה זה האבל שהציע תשובה. הנתון הראשוני שלו, שקיבל את הכינוי "קבוע האבל" (H0) היה כ-500 קילומטרים לשניה לכל מיליון פרסק (Parsec, יחידת מרחק אסטרונומית, כ-3. 25 שנות אור).

מחקרי המשך מדויקים יותר הורידו בהדרגה את הערך הזה לכ-100 קילומטרים לשניה לכל מגה-פרסק (מיליון פרסק). לגילוי של התפשטות היקום הייתה השלכה חשובה נוספת על קוסמולוגיה.

אם היקום מתפשט והולך, והגלקסיות מתרחקות זו מזו בקצב שאנו יכולים לאמוד, אפשר להריץ את התרחיש הזה גם לאחור, לזמנים שבהם הגלקסיות היו יותר ויותר קרובות, עד לנקודת ההתחלה. כך נולד המודל שקיבל לימים את הכינוי "המפץ הגדול", ומסביר את היווצרות היקום. אומדנים של קצב ההתפשטות מאפשרים לקבוע פחות או יותר מתי הוא התרחש.

גם החישוב הזה השתנה עם השנים, וכיום גילו המקובל של היקום הוא כ-13. 8 מיליארד שנים. בשנים שבאו לאחר מכן, שאלות על היווצרות היקום והתהליכים המוקדמים של התפתחותו העסיקו את הקוסמולוגים יותר מאשר שאלת ההתפשטות של היקום. ואולם, שתי תגליות החזירו את ההתפשטות לסדר היום לקראת סוף המאה העשרים.

ב-1963 עמלו שני פיזיקאים צעירים ממעבדות בֶּל, ארנו פנזיאס (Penzias) ורוברט וילסון (Wilson), על כיול אנטנה של טלסקופ רדיו, כשהבחינו בהפרעת קרינה בתדר מסוים, ולא הצליחו לגלות את מקורה. לאחר שסילקו כל גורם אפשרי, כולל יונים שקיננו בטלסקופ, ההפרעה עדיין נשארה.

לאחר שיחות עם עמיתים הם גילו מאמרים תיאורטיים של כמה מחוקרי ראשית היקום, בהם ג'ורג' גאמוב (Gamow) וג'יימס פיבלס (Peebles), שטענו כי אירוע המפץ הגדול אמור להותיר חותמת: קרינת רקע של גלי רדיו בעלי עוצמה אחידה פחות או יותר בכל הכיוונים. וילסון ופנזיאס הבינו שגילו את הקרינה הזו, וב-1978 קיבלו פרס נובל בפיזיקה על תגליתם.

ואולם, לפי התחזיות הקרינה לא היתה אמורה להיות אחידה לגמרי. בשנות ה-90 פתרו זאת מדידות של הלוויין "קובי" (COBE, קיצור של Cosmic Background Explorer, חוקר קרינת הרקע הקוסמית), שהראו כי אכן יש תנודות בקרינה הזו, גילוי שזיכה את ג’ון מאת’ר (Mather) וג'ורג' סמוט (Smoot) בפרס נובל בפיזיקה ב-2006.

בשנת 2019 הוענק הפרס גם לפיבלס, על חיזוי קיומה של קרינת הרקע הקוסמית. התגלית השנייה נעשתה כששתי קבוצות חוקרים ביקשו למדוד את קצב ההתפשטות של היקום בשיטות מדויקות יותר מאלה שהאבל הסתמך עליהן. במקום להסתמך על מדידות מרחק לפי קפאידים, הם התבססו על מדידות של סופרנובות.

רוב הסופרנובות הן פיצוצים עצומים של כוכבים גדולים, שקורסים לתוך עצמם בסוף חייהם. החוקרים הסתמכו על סוג מסוים של סופרנובות, בשם Ia, שנוצרות בהתפוצצות של ננסים לבנים. בסופרנובות מהסוג הזה יש מתאם חזק מאוד בין רוחב עקומת האור שנמדדת בפיצוץ לבהירות שלו.

לכן אפשר להשתמש בהן, כמו בקפאידים של הנרייטה ליוויט, לכיול יחסי של מרחקים. לאחר שמדדו את הבהירות של מספיק סופרנובות כאלה, הופתעו החוקרים משתי הקבוצות המתחרות לגלות שחלק מהסופרנובות הרחוקות נראו במדידות חיוורות יותר ממה שהיה צפוי. המשמעות היא שהן רחוקות יותר ממה שחשבו.

לאחר שהממצא הזה חזר שוב ושוב, הגיעו החוקרים למסקנה כי לא רק שהיקום מתפשט, אלא קצב ההתפשטות גדל והולך כל הזמן. הממצאים פורסמו ב-1998 ובמאמר של הקבוצה המתחרה כמה חודשים לאחר מכן. ב-2011 הוענק על התגלית פרס נובל בפיזיקה לנציגי שתי הקבוצות, סול פרלמוטר (Perlmutter), בריאן שמידט (Schmidt) ואדם ריס (Riess).

ליישב את הסתירה סופרנובות מתרחשות כל הזמן, אבל פעם בכמה חודשים אפשר לראות התפוצצויות כאלה בגלקסיות קרובות אלינו יחסית. בגלקסיות כאלה יש לפעמים גם קפאידים משתנים. טלסקופ החלל האבל, ששוגר ב-1990, הצליח למדוד את ת