אל האינסוף

למיטב ידיעתנו, גיל היקום בו אנחנו חיים הינו 13.8 מיליארד שנים. זמן הלידה של היקום מוגדר כרגע בו התרחש המפץ הגדול, וכל החומר אותו אנחנו מכירים התפשט בחלל. בתחילת חייו, היה היקום מרק אחד גדול, אחיד וחם במיוחד. עם הזמן, צפיפות של חומר אפל (ראו מילון מושגים) החלה לגדול במעט באיזורים מסויימים במרק, ויחד עמה גדלה גם הכבידה. בכח המשיכה של החומר האפל נלכד גז שהיה בסביבה, נדחס אל תוך עצמו ו"נדלק". כך באים כוכבים ליקום. כיום ידוע למדע, כי הכוכבים הראשונים שנוצרו היו כשהיקום היה ממש ילדון – כלומר בן משהו כמו 100 מיליון שנים.

איך בכלל יודעים מה היה בעברו של היקום? לאור שנפלט מעצם בחלל לוקח זמן להגיע לכדור הארץ, כך שאורו של כוכב שנדלק במרחק מיליון שנות אור, יטוס בחלל במהירות גבוהה אך קבועה, וייראה לצופים בו בכדור-הארץ בדיוק כפי שהיה כאשר נפלט לפני מיליון שנה. ייתכן שכאשר נצפה בו, אותו כוכב כבר מת, אך אנחנו נראה את מותו רק מיליון שנה אחרי. מכאן משתמע שככל שמסתכלים רחוק יותר לעומק החלל, אנחנו מקבלים הצצה למה שהתרחש הרבה לפני שהיינו פה.

"אנחנו יודעים הרבה על היקום היום באמצעות תצפיות על הגלקסיה שלנו, על גלקסיות שכנות ועל היקום המאוד מוקדם, באמצעות תיעוד של קרינה קוסמית (ראו מילון מושגים). באמצע הייתה המהפכה של היווצרות הכוכבים הראשונים, שהפכה 'יקום של פיזיקה ליקום של אסטרופיזיקה'", מספר פרופסור רנן ברקנא בית-הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב. "יש תקופה שאנחנו בעצם לא יודעים מה התרחש בה. קיימות לגביה רק השערות תיאורטיות, שכן לא ניתן לצפות עליה באופן ישיר, וזה מה שמעניין אותנו במדע".

כיצד ניתן לדעת כמה רחוק אנו מסתכלים?
"לכל אטום יש "טביעת אצבע" ייחודית משלו הנקראת 'ספקטרום פליטה' (ראו מילון מושגים). בהתייחס לתכונה זו, ולעובדה שהיקום ממשיך ומתפשט, ניתן לדעת כמה רחוק אובייקט בחלל לפי הקצב בו הוא מתרחק מאיתנו. זוהי השיטה ה'ישירה' למצוא ולאפיין עצמים ביקום. כיום, הגלקסיה הרחוקה ביותר שניתן למדוד כך נוצרה כשהיקום היה בן 700 מיליון שנים. בכדי לחקור תקופות מוקדמות יותר, יש לנקוט באמצעים שונים ועקיפים יותר".

בתקופת הביניים בין היווצרות היקום לבין היקום שאנו רואים כיום, הגלקסיות היו קטנות פי מיליון מגלקסית שביל החלב – לה אנחנו קוראים בית. בשל גודלן ומרחקן הרב מאיתנו, לא ניתן להסתכל עליהן באופן הישיר בו אנחנו מסתכלים על שאר היקום, ועל כן ננקטו שיטות עקיפות בכדי למפות את הגלקסיות הראשונות ביקום.

אחת השיטות העקיפות המקובלות כיום, מבוססת על התבוננות באטומים של מימן, שידוע כי מילאו את המרחבים הבין-גלקטיים בתקופה בה נוצרו הכוכבים הראשונים. גז המימן פולט קרינה האופיינית לו, אשר עוצמתה תלויה בקרינה הנפלטת מהכוכבים סביבו. אורך הגל של הקרינה הנפלטת מהמימן המיונן הוא 21 סנטימטר. אולם, בגלל המרחק מאתנו, ויחד עם התפשטות היקום, אנחנו נקלוט אותה באורך של שני מטרים שלמים ואף יותר. קרינה כזו, אגב, ניתן לקלוט באמצעות שדה של אנטנות טלוויזיה רגילות שגודלן הותאם לקרינה באורך גל זה. למרות הפתרון הפשוט לכאורה, קיימת בעייתיות בשל רעש הנקלט ומפריע לניסויים; הרעש, למעשה, הוא קרינה דומה אך חזקה עד פי 10,000 מקרינת ה'21 ס"מ', והיא נפלטת מאזורים קרובים יותר (כמו הגלקסיה שלנו). "אנחנו מקווים לגלות הפרעות באות הנקלט, התלויות בקיום כוכבים וגלקסיות במרחק אותו אנו מעוניינים לחקור", מסביר ברקנא את הסוגיה. "קרינת ה'רעש' שאמורים לקלוט מאזורים קרובים, לעומת זאת, אמורה להיות בעלת התפלגות תדרים שונה, מה שיאפשר להפריד את האות הרצוי. אנחנו עוסקים בניבוי תיאורטי של ההפרעות הללו, שהן קטנות כל כך עד שאף ניסוי לא קלט אותן בהצלחה – אך מתנהלת תחרות בינלאומית להשגת המדידה הראשונה".

בהערכות תיאורטיות שפורסמו במאמר מ-2012, מנבא פרופ' ברקנא אות של קרינת ה-21 ס"מ גדול יותר מכפי שהיה ידוע למדע לפניו. "ישנו אפקט שהתרחש בתקופת היווצרות הכוכבים הראשונים, ומקורו בתקופה מוקדמת יותר שבה תנודות של אור גרמו לגז בחלל לנוע מהר יותר מהחומר האפל". הוא מפרט: "כאשר הגז נע מהר מדי, באזורים מסוימים, הוא לא 'נתפס' בכח המשיכה של החומר האפל הצפוף יותר, ולא נוצר כוכב. תחזיות העבר התעלמו בשגגה מאפקט זה, והציגו מפות עם צפיפות כוכבים אחידה מדי. אנחנו מדברים על חדשות טובות מאוד לניסיונאים, שכן אם צפיפות הכוכבים משתנה מאזור לאזור בשמיים, ההפרעות תהיינה גדולות יותר, וניתן יהיה לגלות אותן מעבר לרעש של קרינת ה-21 ס"מ הנפלטת ממקורות קרובים". קל יותר להבין זאת על-ידי התמונות המצורפות, המציגות מפות של צפיפות הכוכבים הראשונים (ראו תמונה). התמונה השמאלית מראה את צפיפות הכוכבים לפי התיאוריות הישנות. האזורים האדומים הינם בעלי צפיפות כוכבים גדולה יותר. התמונה הימנית, לעומת זאת, מראה את צפיפות הכוכבים ה"חדשה", שלשם חישובה מתייחסים לאפקט המוזנח. כך ניתן לראות, כי השמיים המתוקנים מנבאים הרבה יותר איזורים "ריקים" בשמיים. בזכות איזורים ריקים אלה, הקרינה מהכוכבים תהיה נדירה, ולכן משמעותית בהרבה.

צפיפויות כוכבים לפי תיאוריות שונות, באדיבות פרופ' רנן ברקנא

מה ייחודי במחקר שלך בניגוד לשאר התיאוריות הקיימות כיום?
"הסקאלות השמימיות בהן עוסקים הניבויים שלנו גדולות בהרבה מחישובים קודמים. אנחנו בעצם עוברים על איזורים קטנים מאוד בשמיים עליהם יש תיאוריות שמבוססות על סימולציות ממוחשבות, ומהם מרכיבים תמונה גדולה יותר, הכוללת איזור של עד מיליארד שנות אור מהיקום הקדמון". עוד נגלה, כי בתקופה בה מתפרסם הגיליון, אמור להתפרסם מאמר חדש החושף תגלית נוספת עליה עלתה קבוצת המחקר בראשות פרופ' ברקנא. הוא, מצידו, שומר על מיסתוריות בנושא, ומגלה לי בחיוך צנוע שזו תגלית שיכולה לשנות דברים באופן משמעותי אף יותר מתגליותיו הקודמות, לחשוף עוד נתח בחייו הארוכים של היקום ולהפיץ בשורות טובות נוספות לניסיונאים באשר הם. בינתיים, הניסיונות בשטח מצליחים לנקות את רעש הרקע מגלקסיות קרובות פי 1000. התנודות שצופה התיאוריה, כפי שנאמר, אמורות להיות קטנות פי 10,000. כלומר, עדיין ישנו פקטור של 10 עליו צריכים החוקרים להתגבר. "ההתקדמות צפויה להתרחש בעוד כשנתיים. ברגע שיראו שזה עובד, זה יפתח פן חדש לגמרי במדע" מסכם ברקנא ורומז "אם ישנו את מערך האנטנות הקולטות את הקרינה, אולי יתאפשרו תצפיות מעניינות נוספות".

מילון מושגים

חומר אפל – חומר בעל כח כבידה שאינו פולט אור, ולכן לא ניתן לראותו. אינו מורכב מהחלקיקים המוכרים לנו.

קרינה קוסמית – האור המוקדם שנפלט מהחומר האחיד והחם של היקום. כיום בעל אורך גל באורך של מילימטרים (מיקרוגל), ומתגלה בעוצמה כמעט זהה בכל כיוון בשמיים, מה שמעיד על אחידות היקום בראשית חייו.

אורך גל– אור נמדד, בין היתר, כגל, שאורכו ניתן לו לפי אורך מחזור אחד שלו. תחום האור הנראה הוא הצבעים השונים שהעין האנושית קולטת, אשר נע בין 400-700 ננומטר (מיליארדית המטר).

ספקטרום פליטה –  כשמחממים אטום כלשהו, הוא יפלוט אור באורכי גל מסוימים המתאימים אך ורק לו. באמצעות קריאה וניתוח של הצבעים הנפלטים ניתן לדעת את סוג האטום הנצפה, גם ממקור בקצה היקום.