באדיבות NASA
היקום המוקדם חייב להכיל "זרעים" של מבנה היקום הגדול המוכר לנו כיום. אחרי הכל, אם היקום היה הומוגני וחלק לחלוטין, לא היינו קיימים! הניגוד בין היקום המוקדם לבין המבנה שלו בימינו בולט. קרינת הרקע הקוסמית מתוארכת רק ל- 380,000 שנים אחרי המפץ הגדול, אבל זוהי קרינה כמעט חלקה לחלוטין. לעומת זאת, החומר היום התכנס לכוכבים ולגלקסיות, כמעט ללא שום דבר ביניהם. אסטרונומים ציפו כי קרינת הרקע הקוסמית תציג חריגות זעירות מאיזוטרופיה, המייצגות את האי-סדרים הראשונים שמהם ייווצרו בסופו של דבר הגלקסיות, הכוכבים ופלנטות. בשנת 1992 הודיעו מדענים הקשורים ללוויין COBE בהתרגשות גדולה, ובתחושת הקלה רבה, על גילוי של חריגות מקרינת הרקע האחידה. היו אל חריגות זעירות המסתכמות ב- 70 מיליוניות מעלה בלבד בין חלקים שונים בשמים. באופן כללי, קרינת הרקע בתחום המיקרוגל היא אחידה כמעט לחלוטין. אבל, כאשר משפרים את כושר ההפרדה של הטמפרטורה, ניתן לזהות חריגות קלות מאד מאחידות זו. אם התרחיש האינפלציוני של התנפחות המעריכית של היקום שזה עתה נולד נכונה, אזי הזרע להיווצרות הגלקסיות הן אותן חריגות קוונטיות שהועצמו על ידי ההתנפחות האינפלציונית!
אדוות קרינה זעירות אלה הן שהיו לנקודות ההתחלה בהיווצרות גלקסיות. כמה זמן לקח לגלקסיות להיווצר? קרינת הרקע בתחום המיקרוגל מוסחת מאדום כאשר z = 1000, וגודל היקום היה אלפית מגודלו הנוכחי. כיום גלקסיות נמצאות בהסחה לאדום כאשר z = 7. הזמן שחלף בין z = 1000 ל- z = 7 תלוי במודל הקוסמולוגי, אך משך הזמן המקובל הוא 500 מיליון שנים. נתון זה מצביע על כמות הזמן שנדרשה למעבר בין נצנוצים זעירים בכדור האש הקדמוני ליצירתן של גלקסיות ספירליות ואליפטיות יפות מראה.
באדיבות NASA
היווצרות הגלקסיות הוא אחד הנושאים חמים ביותר בדיונים העוסקים בקוסמולוגיה המודרנית. מדוע גלקסיה היא יחידת המסה הבסיסית של היקום? מדוע החלל אינו מלא בכוכבי לכת, או בגרגרי אבק, או בגופים גדולים בהרבה מגלקסיות? למרבה המזל, הפיזיקה העניקה לנו הדרכה מעטה. תנודות הטמפרטורה של קרינת הרקע בתחום מיקרוגל יוצרות סימנים לחומר המתחיל לקרוס. האזורים החמים והצוננים מעט בשמים מייצגים קרינה שעברה מעט הסחה לאדום או לכחול. אזורים של צפיפות מעט גבוהה או נמוכה יותר היו בעלי פיזור שונה במעט. באזורים צפופים יותר היה כוח הכבידה חזק ולכן חומר הסמוך אליהם נמשך לעברם. בתחילת ההתמוטטות, החומר הקורס פגש לחץ גבוה יותר בתוך האזור הדחוס – התרחשה שם אותה התנגשות בין כוח הכבידה ללחץ השולטת גם על חייהם של כוכבים. גוף יכול להיווצר רק אם כוח הכבידה מנצח בקרב. בכל הזמן לאורך 380,000 שנים לאחר המפץ הגדול, באזורים שבהם כוח הכבידה והלחץ היו מאוזנים הם הכילו מסה שגודלה כ- 100,000 פעמים מסת השמש. גושים קטנים יותר מגושים אלה לא יכלו להיווצר. אך גם לא היו גושים שמסתם גדולה יותר מפי טריליון מסות שמש, כי ענן גז בגודל שכזה לא יכול להתקרר מספיק כדי לקרוס, והקרינה הבוקעת ממנו תוסיף לנפח אותו. טווח מסה ליצירת הגלקסיות היא אם כן בין 105 עד 1012 מסות שמש – זהו טווח המסה של הגלקסיות בימינו!
המסה של צבירים וצבירי-על של גלקסיות הגיעה עד כדי 1017 מסות שמש. מי נוצר ראשון, הגלקסיות או הצבירים הגדולים אלה? אין זה מפתיע שהתשובה תלויה באופיו של החומר האפל. אנחנו לא יודעים מאיזה סוג חלקיקים עשוי החומר האפל. עם זאת, אם חלקיקי החומר האפל נעים במהירות, הקרובה למהירות האור, הם היו "נשטפים החוצה" מגוש חומר הקטן מצביר-על של גלקסיות, כאשר מבנים אלה החלו להיווצר. גלקסיות היו נוצרות מאוחר יותר, על ידי פיצול בתוך הצביר. תרחיש זה נקרא בניה מלמעלה למטה והיא מבוססת על חומר אפל חם (HDM). מצד שני, אם חלקיקי החומר האפל נעים באיטיות, הגלקסיות היו נוצרות תחילה, עם מבנים ההולכים וגדילים, שנוצרו לאחר היווצרות הגלקסיות. תרחיש זה נקרא בניה מלמטה למעלה, והיא מבוססת על חומר אפל קר (CDM).
איזה תרחיש נכון, היקום מלא חומר אפל חם או קר? אסטרונומים מאמינים כי צבירי הגלקסיות צעירים בהרבה מהגלקסיות שהם מכילים. כאשר צביר גלקסיות מתפתח הוא הופך להיות סימטרי יותר ויותר; הצורות הלא סדירות של כמה צבירי גלקסיות מעידים על כך שהן צעירות מאוד. בקנה מידה גדול רק עכשיו צבירי-על יכולים להיבנות. זוהי עדות עקיפה טובה, שהחומר האפל הוא חומר קר.
אף קבוצת משוואות לא יכולה לתאר את המבנה העשיר של היקום. הדרך הטובה ביותר לבחון את המודלים היא ליצור "יקום במחשב". בדיוק כפי שניתן לדמות גלקסיה על ידי מודל המחשב את כוח הכבידה של כוכבים רבים, אפשר לדמות את היקום באמצעות חישוב מסתן של גלקסיות רבות! בהדמיות, כל גלקסיה מטופלת כנקודת מסה, וכוח המשיכה בין גלקסיות הרבות מחושב על פי כוח הכבידה של ניוטון. הנפח המתואר בהדמיות אלה גדל בהתמדה ומייצג את היקום המתפשט. הכוח העצום של מחשבי-העל מאפשר למאות מיליוני חישובים להתבצע בכל שנייה. מבנים יפים מופיעים במודלים הממוחשבים. סימולציות אלה מעניקות לנו רמז חשוב על החומר האפל: מודלים עם חלקיקי חומר אפל קר מספקים התאמה טובה יותר לצבירי הגלקסיות ביקום הנצפה מאשר מודלים עם חלקיקי חומר אפל חם. הסימולציות גם מצליחות לשכפל את מרקם העשיר של צבירים, חללים וחוטים שאנו רואים ביקום האמיתי. הסימולציות המכילות בתוכן ייצוג של חומר אפל וקר, גורמות להיווצרות מבנה המכיל אנרגיה אפלה, שמאיצה את התפשטות היקום. המודל המקובל כיום נקרא lambda-CDM או λ;CDM, כאשר λ; מתייחס לקבוע הקוסמולוגי המקורי של איינשטיין.
Author: Chris Impey