המודל הקוסמולוגי של היקום הוא תיאור מתמטי המנסה להסביר את הסיבות לקיומו הנוכחי. הוא גם מתאר את האבולוציה לאורך זמן.
מודלים קוסמולוגיים מודרניים של היקום מבוססים על תורת היחסות הכללית. זה מה שמספק כרגע את הייצוג הטוב ביותר להסבר בקנה מידה גדול.
המודל הקוסמולוגי המבוסס-מדעי הראשון של היקום
מתוך תורת היחסות הכללית שלו, שהיא השערה של כוח המשיכה, איינשטיין כותב משוואות השולטות בקוסמוס מלא בחומר. אבל אלברט חשב שזה צריך להיות סטטי. אז איינשטיין הכניס למשוואות שלו מונח שנקרא המודל הקוסמולוגי הקבוע של היקום כדי לקבל את התוצאה.
לאחר מכן, בהינתן המערכת של אדווין האבל, הוא יחזור לרעיון הזה ויכיר בכך שהקוסמוס יכול להתרחב ביעילות. בְּדִיוּקהיקום נראה כמו במודל הקוסמולוגי של א. איינשטיין.
השערות חדשות
זמן קצר אחריו, ההולנדי דה סיטר, המפתח הרוסי של המודל הקוסמולוגי של היקום פרידמן ולמאיטר הבלגי מציגים אלמנטים לא סטטיים לשיפוטם של אניני טעם. הם נחוצים כדי לפתור את משוואות תורת היחסות של איינשטיין.
אם קוסמוס דה סיטר מתאים לקבוע ריק, אזי לפי המודל הקוסמולוגי של פרידמן, היקום תלוי בצפיפות החומר שבתוכו.
השערה ראשית
אין סיבה שכדור הארץ יעמוד במרכז החלל או בכל מקום מיוחס.
זו התיאוריה הראשונה של המודל הקוסמולוגי הקלאסי של היקום. לפי השערה זו, היקום נחשב כ:
- הומוגני, כלומר, יש לו אותן תכונות בכל מקום בקנה מידה קוסמולוגי. כמובן, במישור קטן יותר, ישנם מצבים שונים אם אתה מסתכל, למשל, על מערכת השמש או איפשהו מחוץ לגלקסיה.
- איזוטרופי, כלומר, תמיד יש לו את אותן תכונות בכל כיוון, לא משנה לאן אדם מסתכל. במיוחד מכיוון שהחלל אינו משוטח בכיוון אחד.
ההשערה הנחוצה השנייה היא האוניברסליות של חוקי הפיזיקה. הכללים האלה זהים בכל מקום ובכל זמן.
התחשב בתוכן היקום כנוזל מושלם היא השערה נוספת. הממדים האופייניים למרכיביו אינם משמעותיים בהשוואה למרחקים המפרידים ביניהם.
פרמטרים
רבים שואלים: "תאר את המודל הקוסמולוגיעוֹלָם." לשם כך, בהתאם להשערה הקודמת של שיטת פרידמן-למאיטר, נעשה שימוש בשלושה פרמטרים המאפיינים את האבולוציה במלואם:
- קבוע האבל המייצג את קצב ההתרחבות.
- פרמטר צפיפות המסה, המודד את היחס בין ρ של היקום הנחקר לצפיפות מסוימת, נקרא הקריטי ρc, הקשור לקבוע האבל. הערך הנוכחי של פרמטר זה מסומן Ω0.
- הקבוע הקוסמולוגי, המסומן Λ, הוא הכוח המנוגד לכוח הכבידה.
צפיפות החומר היא פרמטר מפתח לניבוי התפתחותו: אם הוא מאוד בלתי חדיר (Ω0> 1), כוח הכבידה יוכל להביס את ההתפשטות ואת הקוסמוס יחזור למצבו המקורי.
אחרת העלייה תימשך לנצח. כדי לבדוק זאת, תאר את המודל הקוסמולוגי של היקום על פי התיאוריה.
ברור אינטואיטיבית שאדם יכול לממש את התפתחות הקוסמוס בהתאם לכמות החומר שבתוכו.
מספר גדול יוביל ליקום סגור. זה יסתיים במצבו הראשוני. כמות קטנה של חומר תוביל ליקום פתוח עם התפשטות אינסופית. הערך Ω0=1 מוביל למקרה מיוחד של שטח שטוח.
המשמעות של הצפיפות הקריטית ρc היא בערך 6 x 10–27 kg/m3, כלומר שני אטומי מימן למטר מעוקב.
נתון נמוך מאוד זה מסביר מדוע מודרניהמודל הקוסמולוגי של מבנה היקום מניח חלל ריק, וזה לא כל כך נורא.
יקום סגור או פתוח?
צפיפות החומר בתוך היקום קובעת את הגיאומטריה שלו.
עבור אטימות גבוהה, אתה יכול לקבל חלל סגור עם עקמומיות חיובית. אבל עם צפיפות מתחת לזו הקריטית, יקום פתוח יופיע.
יש לשים לב שלטיפוס הסגור יש בהכרח גודל מוגמר, בעוד שיקום שטוח או פתוח יכול להיות סופי או אינסופי.
במקרה השני, סכום הזוויות של המשולש קטן מ-180°.
בסגור (לדוגמה, על פני כדור הארץ) נתון זה תמיד גדול מ-180°.
כל המדידות עד כה לא הצליחו לחשוף את עקמומיות החלל.
מודלים קוסמולוגיים של היקום בקצרה
מדידות של קרינת מאובנים באמצעות כדור הבומרנג מאשרות שוב את השערת החלל השטוח.
השערת המרחב השטוח תואמת את הנתונים הניסיוניים.
מדידות שנעשו על ידי WMAP והלוויין פלאנק מאששות השערה זו.
אז היקום יהיה שטוח. אבל עובדה זו מציבה את האנושות לפני שתי שאלות. אם הוא שטוח, זה אומר שצפיפות החומר שווה לקריטית Ω0=1. אבל, החומר הגדול והנראה ביקום הוא רק 5% מחוסר החדירה הזה.
בדיוק כמו בהולדת הגלקסיות, יש צורך לפנות שוב לחומר אפל.
עידן היקום
מדענים יכוליםלהראות שהוא פרופורציונלי להדדיות של קבוע האבל.
לכן, ההגדרה המדויקת של קבוע זה היא בעיה קריטית לקוסמולוגיה. מדידות אחרונות מראות שהקוסמוס הוא כיום בין 7 ל-20 מיליארד שנים.
אבל היקום חייב בהכרח להיות ישן יותר מהכוכבים העתיקים ביותר שלו. וגילם מוערך בין 13 ל-16 מיליארד שנים.
לפני כ-14 מיליארד שנה, היקום החל להתפשט לכל הכיוונים מנקודה צפופה קטנה לאין שיעור הידועה כסינגולריות. אירוע זה ידוע בשם המפץ הגדול.
בתוך השניות הראשונות מתחילת האינפלציה המהירה, שנמשכה במשך מאות אלפי השנים הבאות, הופיעו חלקיקים יסודיים. מה שירכיב מאוחר יותר את החומר, אבל, כפי שהאנושות יודעת, הוא עדיין לא היה קיים. במהלך תקופה זו, היקום היה אטום, מלא בפלזמה חמה במיוחד וקרינה עוצמתית.
עם זאת, ככל שהוא התרחב, הטמפרטורה והצפיפות שלו ירדו בהדרגה. פלזמה וקרינה החליפו בסופו של דבר את המימן וההליום, היסודות הפשוטים, הקלים והנפוצים ביותר ביקום. לכוח הכבידה נדרשו כמה מאות מיליוני שנים נוספות כדי לשלב את האטומים הצפים החופשיים הללו לתוך הגז הקדמון שממנו יצאו הכוכבים והגלקסיות הראשונים.
הסבר הזה של ראשית הזמן נגזר מהמודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה של המפץ הגדול, הידוע גם בשם מערכת למדה - חומר אפל קר.
מודלים קוסמולוגיים של היקום מבוססים על תצפיות ישירות. הם מסוגלים לעשותתחזיות שניתן לאשש על ידי מחקרים עוקבים ולהסתמך על תורת היחסות הכללית מכיוון שתיאוריה זו נותנת את ההתאמה הטובה ביותר להתנהגויות שנצפו בקנה מידה גדול. מודלים קוסמולוגיים מבוססים גם על שתי הנחות יסוד.
כדור הארץ אינו ממוקם במרכז היקום ואינו תופס מקום מיוחד, ולכן החלל נראה אותו הדבר לכל הכיוונים ומכל המקומות בקנה מידה גדול. ואותם חוקי הפיזיקה שחלים על כדור הארץ חלים בכל הקוסמוס ללא קשר לזמן.
לכן, מה שהאנושות צופה היום יכול לשמש כדי להסביר את העבר, ההווה או כדי לעזור לחזות אירועים עתידיים בטבע, לא משנה כמה רחוקה התופעה הזו.
לא יאומן, ככל שאנשים מסתכלים יותר אל השמיים, כך הם מביטים אל העבר. זה מאפשר סקירה כללית של הגלקסיות כשהן היו הרבה יותר צעירות, כך שנוכל להבין טוב יותר כיצד הן התפתחו ביחס לאלו שהן קרובות יותר ולכן מבוגרות הרבה יותר. כמובן, האנושות לא יכולה לראות את אותן גלקסיות בשלבים שונים של התפתחותה. אבל יכולות להתעורר השערות טובות, המקבצות את הגלקסיות לקטגוריות על סמך מה שהן מבחינות בהן.
ההערכה היא שהכוכבים הראשונים נוצרו מענני גז זמן קצר לאחר תחילת היקום. מודל המפץ הגדול הסטנדרטי מציע כי ניתן למצוא את הגלקסיות המוקדמות ביותר מלאות בגופים חמים צעירים המעניקים למערכות אלו גוון כחול. המודל גם חוזה את זההכוכבים הראשונים היו רבים יותר, אך קטנים יותר מהכוכבים המודרניים. ושהמערכות גדלו באופן היררכי לגודלן הנוכחי כאשר גלקסיות קטנות יצרו בסופו של דבר יקומי איים גדולים.
מעניין שרבות מהתחזיות הללו אושרו. לדוגמה, עוד בשנת 1995, כאשר טלסקופ החלל האבל הסתכל לראשונה לעומק תחילת הזמן, הוא גילה שהיקום הצעיר היה מלא בגלקסיות כחולות חלשות קטנות פי שלושים עד חמישים משביל החלב.
מודל המפץ הגדול הסטנדרטי גם צופה שהמיזוגים האלה עדיין נמשכים. לכן, האנושות חייבת למצוא עדויות לפעילות זו גם בגלקסיות שכנות. למרבה הצער, עד לאחרונה, היו עדויות מועטות למיזוגים אנרגטיים בין כוכבים ליד שביל החלב. זו הייתה בעיה עם מודל המפץ הגדול הסטנדרטי מכיוון שהוא הציע שההבנה של היקום עלולה להיות חלקית או שגויה.
רק במחצית השנייה של המאה ה-20 הצטברו מספיק ראיות פיזיות כדי ליצור מודלים סבירים לאופן היווצרות הקוסמוס. מערכת המפץ הגדול הסטנדרטית הנוכחית פותחה על סמך שלושה נתונים ניסויים עיקריים.
הרחבת היקום
כמו ברוב דגמי הטבע, הוא עבר שיפורים עוקבים ויצר אתגרים משמעותיים שמעודדים מחקר נוסף.
אחד ההיבטים המרתקים של הקוסמולוגידוגמנות היא שהיא חושפת מספר איזונים של פרמטרים שחייבים להישמר בצורה מדויקת מספיק עבור היקום.
שאלות
המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי של היקום הוא מפץ גדול. ולמרות שהראיות התומכות בה הן מכריעות, היא לא חפה מבעיות. טרפיל בספר "רגע הבריאה" מציג היטב את השאלות האלה:
- בעיית האנטי-חומר.
- המורכבות של היווצרות הגלקסיה.
- בעיית אופק.
- שאלה של שטוחות.
בעיית האנטי-חומר
לאחר תחילת עידן החלקיקים. לא ידוע על תהליך שיכול לשנות את המספר העצום של חלקיקים ביקום. עד שהחלל לא היה מעודכן באלפיות השנייה, האיזון בין החומר לאנטי-חומר היה קבוע לנצח.
החלק העיקרי במודל הסטנדרטי של החומר ביקום הוא הרעיון של ייצור זוג. זה מדגים את הלידה של כפילות אלקטרונים-פוזיטרון. הסוג הרגיל של אינטראקציה בין קרני רנטגן או קרני גמא עם חיים גבוהים לבין אטומים טיפוסיים הופך את רוב האנרגיה של הפוטון לאלקטרון ולאנטי-חלקיק שלו, הפוזיטרון. מסת החלקיקים עוקבות אחר היחס של איינשטיין E=mc2. לתהום שנוצרה יש מספר שווה של אלקטרונים ופוזיטרונים. לכן, אם כל תהליכי הייצור ההמוני היו מזווגים, תהיה בדיוק אותה כמות של חומר ואנטי-חומר ביקום.
ברור שיש קצת אסימטריה באופן שבו הטבע מתייחס לחומר. אחד מתחומי המחקר המבטיחיםהיא הפרה של סימטריית CP בהתפרקות של חלקיקים על ידי האינטראקציה החלשה. ההוכחה הניסויית העיקרית היא פירוק של קאונים ניטרליים. הם מראים הפרה קלה של סימטריית SR. עם התפרקות הקאונים לאלקטרונים, לאנושות יש הבחנה ברורה בין חומר ואנטי-חומר, וזה עשוי להיות אחד המפתחות לדומיננטיות של החומר ביקום.
תגלית חדשה במאיץ ההדרונים הגדול - ההבדל בקצב ההתפרקות של ה-D-meson והאנטי-חלקיק שלו הוא 0.8%, מה שיכול להיות תרומה נוספת לפתרון סוגיית האנטי-חומר.
בעיית היווצרות הגלקסיה
אי סדרים אקראיים ביקום המתרחב אינם מספיקים כדי ליצור כוכבים. בנוכחות התפשטות מהירה, משיכה הכבידה איטית מכדי שגלקסיות יווצרו עם כל דפוס סביר של מערבולות שנוצרה על ידי ההתפשטות עצמה. השאלה כיצד יכול היה להתעורר המבנה בקנה מידה גדול של היקום הייתה בעיה מרכזית בלתי פתורה בקוסמולוגיה. לכן, מדענים נאלצים להסתכל על תקופה של עד אלפית שנייה אחת כדי להסביר את קיומן של גלקסיות.
בעיית אופק
קרינת רקע מיקרוגל מכיוונים מנוגדים בשמים מאופיינת באותה טמפרטורה בטווח של 0.01%. אבל שטח החלל שממנו הם הוקרנו היה זמן מעבר קל יותר ב-500 אלף שנה. ולכן הם לא יכלו לתקשר זה עם זה כדי ליצור שיווי משקל תרמי לכאורה - הם היו בחוץאופק.
מצב זה נקרא גם "בעיית איזוטרופיה" מכיוון שקרינת הרקע הנעה מכל הכיוונים בחלל היא כמעט איזוטרופית. אחת הדרכים להעלות את השאלה היא לומר שהטמפרטורה של חלקי החלל בכיוונים מנוגדים מכדור הארץ כמעט זהה. אבל איך הם יכולים להיות בשיווי משקל תרמי זה עם זה אם הם לא יכולים לתקשר? אם רואים את מגבלת זמן החזרה של 14 מיליארד שנים, הנגזרת מקובוע האבל של 71 קמ"ש למגה-פרסקה, כפי שהוצע על ידי WMAP, הבחין שחלקים מרוחקים אלה של היקום נמצאים במרחק של 28 מיליארד שנות אור. אז למה יש להם בדיוק אותה טמפרטורה?
צריך להיות רק פי שניים מגיל היקום כדי להבין את בעיית האופק, אבל כפי שמציין שרם, אם מסתכלים על הבעיה מנקודת מבט מוקדמת יותר, היא הופכת אפילו יותר רצינית. בזמן שבו הפוטונים נפלטו בפועל, הם היו פי 100 מגיל היקום, או פי 100 מושבתים באופן סיבתי.
בעיה זו היא אחד הכיוונים שהובילו להשערה האינפלציונית שהציג אלן גוט בתחילת שנות ה-80. התשובה לשאלת האופק במונחים של אינפלציה היא שבתחילת תהליך המפץ הגדול הייתה תקופה של אינפלציה מהירה להפליא שהגדילה את גודל היקום ב-1020 או 1030 . המשמעות היא שהמרחב הנצפה נמצא כעת בתוך הרחבה זו. הקרינה שניתן לראות היא איזוטרפית,כי כל החלל הזה "מנופח" מנפח זעיר ויש לו תנאים התחלתיים כמעט זהים. זו דרך להסביר מדוע חלקים מהיקום כל כך רחוקים עד שהם לעולם לא יכלו לתקשר זה עם זה נראים אותו הדבר.
בעיית השטיחות
היווצרותו של המודל הקוסמולוגי המודרני של היקום היא נרחבת מאוד. תצפיות מראות שכמות החומר במרחב היא בהחלט יותר מעשירית ובוודאי פחות מהכמות הקריטית הדרושה לעצירת ההתפשטות. יש כאן אנלוגיה טובה - כדור שנזרק מהקרקע מאט. באותה מהירות כמו אסטרואיד קטן, הוא לעולם לא יפסיק.
בתחילת ההשלכה התיאורטית הזו מהמערכת, אולי נראה שהוא הושלך במהירות הנכונה כדי להמשיך לנצח, תוך האטה לאפס לאורך מרחק אינסופי. אבל עם הזמן זה נעשה ברור יותר ויותר. אם מישהו החמיץ את חלון המהירויות אפילו בכמות קטנה, אחרי 20 מיליארד שנות נסיעה, זה עדיין נראה כאילו הכדור נזרק במהירות הנכונה.
כל סטיות מהשטוחות מוגזמות לאורך זמן, ובשלב זה של היקום, האי-סדירות הזעירות היו אמורות לגדול באופן משמעותי. אם הצפיפות של הקוסמוס הנוכחי נראית קרובה מאוד לקריטית, אז היא בוודאי הייתה קרובה אפילו יותר לשטוחה בתקופות קודמות. אלן גוט מייחס את ההרצאה של רוברט דיק כאחת ההשפעות שהכניסו אותו למסלול האינפלציה. רוברט ציין את זההשטיחות של המודל הקוסמולוגי הנוכחי של היקום תחייב אותו להיות שטוח עד חלק אחד תוך 10-14 פעמים בשנייה לאחר המפץ הגדול. קאופמן מציע שמיד אחריו, הצפיפות הייתה צריכה להיות שווה לזו הקריטית, כלומר עד 50 מקומות עשרוניים.
בתחילת שנות ה-80, אלן גוט הציע שאחרי זמן פלאנק של 10–43 שניות, הייתה תקופה קצרה של התרחבות מהירה במיוחד. המודל האינפלציוני הזה היה דרך להתמודד הן עם בעיית השטיחות והן עם סוגיית האופק. אם היקום התנפח ב-20 עד 30 סדרי גודל, אז המאפיינים של נפח קטן במיוחד, שיכול להיחשב קשור בחוזקה, התפשטו ברחבי היקום המוכר כיום, ותרמו הן לשטיחות קיצונית והן לאופי איזוטרופי ביותר.
כך ניתן לתאר בקצרה את המודלים הקוסמולוגיים המודרניים של היקום.
