סיפור הקוסמולוגיה המודרנית התחיל עם אלברט איינשטיין ואדווין האבל. על פי התיאוריות של איינשטיין, צורת החלל מתעוותת בשל כוח הכבידה. מתוך התצפיות של האבל, למדנו שהיקום מתפשט. שני הגברים תיארו יחד את צורת המרחב המתפתחת, והם פיתחו תחום חדש של מדע שנקרא קוסמולוגיה. בנוסף לבניית לתובנות שלהם, הקוסמולוגיה נשענת על שלושה עקרונות: (1) היקום הוא איזוטרופי, שווה בכל הכיוונים, (2) היקום הוא חלק או הומוגני בקנה מידה גדול (3) איננו חיים בזמן מיוחד או מקום מיוחד בחלל. על בקנה מידה הגדולים יותר מ 300 מגאה-פארסק, היקום נראה חלק או הומוגני, ואין לנו מקום עדיף או מיוחס ביקום העצום.
באדיבות NASA
התיאוריה הקוסמולוגית המודרנית מתארת את היקום המתפשט כיקום שהחל את דרכו באירוע אלים – "המפץ הגדול". מבחינה תצפיתית, כל גלקסיה מתרחקת מכל גלקסיה אחרת, ונישאת על גבי המרחב המתפשט. ההיסט לאדום של הגלקסיות נגרם בשל התפשטות המרחב. היסט לאדום יכול לשמש כמחוון להערכת המרחק בינינו לבין הגלקסיה. שביל החלב אינו עומד במרכז המרחב. משקיפים הנמצאים בכל גלקסיה אחרת ימדדו את אותו היחס שהאבל גילה. יתר על כן, הגודל העצום של היקום, בשילוב המהירות הסופית של האור, גורמים לכך שאיננו רואים את היקום המרוחק כפישהו כיום. כאשר אסטרונומים מסתכלים הרחק בחלל, הם מתבוננים באור עתיק המגיע מגלקסיות רחוקות. השיפוע של היחס בין מידת ההיסט לאדום והמרחק של הגלקסיות מאיתנו מניב את קבוע האבל, שהוא מדד לקצב ההתפשטות של היקום. היקום הוא כיום בן 13.8 מיליארד שנים וקוטרו כ- 92 מיליארד שנות אור. קבוע האבל, יחד עם צפיפות המסה וצפיפות האנרגיה של היקום, מאפשרים לנו לחשב את גיל היקום.
ככל שהיקום מתפשט לאורך זמן, חללים קטנים בחלל הולכים וגדלים יותר ויותר, ואילו גלקסיות מושכות זו את זו תוך יצירת במבנים גדולים יותר ויותר. סקרים מיפו את מבנה הגלקסיות ביקום בקנה מידה גדול ובפירוט עשיר. גלקסיות מתנהגות כיצורים חברותיים, וסקרים מראים שרובן חיות בקבוצות קטנות או בצבירים גדולים. הצבירים נקשרים לעתים קרובות באמצעות כוח הכבידה למבנים ענקיים. מבנים אלה הם דמויי גיליון וביניהם מפרידים חללים שגודלם עד 100 מגאה פארסק.. עם זאת, מבנים מרשימים אלה מתארים רק 5% מהחומר ביקום. יתרת היקום מורכבת מחומר אפל (23%) ואנרגיה אפלה (72%).
באדיבות NASA
מודל המפץ הגדול הוא הסיפור המדעי של הבריאה. החלקים הראשונים בסיפור ספקולטיביים למדי ולא בטוחים. ההתחלה היתה בזמן שבו אנרגיה וצפיפות היו כה גבוהות, עד כי המסה והאנרגיה החליפו את צורתן האחת עם השניה. כתוצאה מהתנפחות מהירה, היקום הפך שטוח, חלק, וכמעט ריק. היקום המתפשט התמלא בעיקר בקרינה, יחד עם שארית חומר. שאריות אלה היו למרות הכל מספקות כדי ליצור בסופו של דבר את כל מיליארדי הגלקסיות ביקום). במהלך 3 הדקות הבאות, כאשר היקום כולו עדיין היה חם יותר מאשר מרכזהכוכב, התמזגו כרבע מאטומי המימן לאטומי הליום. ככל שהיקום התפשט והתקרר, צפיפות הקרינה דעכה בקצב מהיר יותר מצפיפות החומר, עד שלאחר כ- 10,000 שנים הפך היקום לנשלט על ידי החומר. לאחר 380,000 שנים, היקום הפך שקוף לקרינה. אלקטרונים הצליחו לתחבר אל הגרעינים אטומיים כדי ליצור אטומים יציבים והפוטונים החלו להתפזר לכל עבר. כיום, מיליארדי שנים לאחר מכן, הקרינה מן העידן הזה עדין קיימת אך היא צפופה הרבה פחות ואורך הגל שלה עבר הסחה חזקה לאדום, כך שעתה אורכו האופייני הוא בתחום מיקרו-גלים. מודל המפץ הגדול נשען על בסיס מוצק של שלושה עמודי תשתית: התפשטותן של גלקסיות, קרינת הרקע הקוסמית, וכמות ההליום שנוצר במהלך 3 הדקות הראשונות – נוקליוסינתזה קוסמית.
בהדרגה, כוח הכבידה עיצב את אדוות היקום המוקדם לתוך מבנים בקני מידה שונים. תהליך זה הושפע מכמות החומר האפל – הבלתי נראה, הנמצאת ביקום. כחצי מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול, קרסו ענני גז ענקיים לתוך הגלקסיות הראשונות. בתוכם הופיעו לגיונות כוכבים בפעם הראשונה. הכוכבים שמרו על קצב של לידה ומוות במשך 6 או 7 מיליארד שנה. רוב הכוכבים מתו מוות שקט, כמו גחלים לוחשות. אך היו גם כוכבים מסיבים שהתפוצצו, תוך שהם מעשירים את החלל בין כוכבי ביסודות כבדים. כוכבים רבים בסוף חייהם מוקפים בפסולת שיצרו. בסביבת "פסולת סלעית" שכזו התפתחו החיים מתוך מרק אורגני בסביבה מימית. ארבעה וחצי מיליארד שנים לאחר מכן, מחוממים על ידי כוכב צהוב שטוף בקרינת מיקרוגל, שריד מאירועי הבריאה, בני אדם מפנים את הטלסקופים שלהם אל השמים ומפענחים את משמעות המידע הזה.
באדיבות NASA
כאשר אנו מסתכלים על היקום, תוך התבוננות בזמנים קוסמולוגיים, אנו יכולים להבחין בתופעות שאנו רואים רק לעתים נדירות ביקום המקומי כמו התהוות גלקסיות. לדוגמה, בחלק קטן מהגלקסיות הנקראות גלקסיות פעילות מתרחשים אירועים אלימים בגרעיניהן. גלקסיות פעילות מופיעות במספר גדל והולך ככול שמתרחקים מגלקסיית הבית. הפעילות בליבותהן של גלקסיות פעילות יוצרת חזקהרדיו חזקה כתוצאה מהתנועה במהירות גבוהה של הגז סביב גרעין הגלקסיה. גלקסיות רבות שבהן מתרחשת פעילות גרעינית יש מבנה מוזר ומזהים בהן התפרצויות רבות עוצמה הגורמות להיווצרות כוכבים. הגלקסיות בעלות הפעילות החזקה ביותר נקראות קוואזרים, וגרעיהן פולטים כמות אור גדולה יותר מכמות האור שיוצרת שאר הגלקסיה. קווזרים זוהרים עשויים לפלות כמות קרינה הגדולה פי 1000 מכמות הקרינה של כל שאר הגלקסיה, הקרינה נפלטת מאזור שגודלו כגודל ממערכת השמש. קוואזרים הם משואות הרחוקות ביותר ביקום – אור מהקווזרים הרחוקים ביותר נפלט כאשר היקום היה בגיל השווה ל- 5% של מגילו הנוכחי. המודל הטוב ביותר עבור מקור האנרגיה האדיר הזה קשור בחור שחור מסיבי המכלה את הגז והכוכבים שסביבו. האזורים המרכזיים של קוואזרים וגלקסיות פעילות משמשים כמאיצי חלקיקים עצומים, היורקים סילוני קרינה וחומר יחסותיים. קוואזרים מסוימים פולטים קרינה שאינה קרינה תרמית המשתרעת על פני הספקטרום האלקטרומגנטי כולו. למדנו שלכל הגלקסיות יש חורים שחורים סופר-מאסיביים, אבל הם אינם פעילים מרבית הזמן.
היקום הוא עצום וזקן מאוד. המהירות הסופית של האור וגילו הסופי של היקום מגבילים את יכולתנו לראות רק חלק מתוך היקום הגדול ואולי האינסופי. שלושה מספרים שולטים בעבר, בהווה ובעתיד היקום כפי שהוא מתואר על ידי מודל המפץ הגדול. הראשון קצב ההתרחבות הנוכחי או קבוע האבל, H0. הקבוע של האבל נקבע בדיוק של כ -4%. השני היא הצפיפות הממוצעת של החומר והאנרגיה האפלה, הפועלים כ"בלם" וכ"מאיץ" של התפשטות היקום. בהתבסס על הערכים שהופיעו לעיל ומדידות שבוצעו לאחרונה על ידי לוויינים בתחום המיקרוגל, אנו יודעים שהיקום שלנו שטוח מבחינה גיאומטרית והוא יתפשט לנצח בקצב הולך וגדל.
Author: Chris Impey
Editor/Contributor: Erik Brogt
Editor/Contributor: Pamela Gay