היקום המתפשט.

גלקסיות שמתרחקות

בשנות העשרה של המאה ה־20 מדד האסטרונום האמריקאי וסטו סליפר את האור של כתמים ספירליים קלושים שנקראו אז ערפיליות. הוא פרש את האור שלהם לספקטרום ומצא בו את הקווים הכהים שיסודות כמו סידן ומימן משאירים. ברובם הקווים ישבו לכיוון הקצה האדום, באורכי גל ארוכים יותר מאשר במנורה במעבדה. הזזה כזו, הסחה לאדום, פירושה בדרך כלל שהמקור מתרחק, ולכן רוב הספירלות התרחקו מאיתנו, חלקן ביותר מאלף קילומטרים בשנייה.

עד סוף שנות העשרים התברר שהספירלות הן גלקסיות כמו שלנו, הרחק מחוץ לשביל החלב. בשנת 1927 צירף הפיזיקאי והכומר הבלגי ז’ורז’ למטר את המהירויות שנמדדו למרחקים משוערים, וראה שהגלקסיות הרחוקות יותר מתרחקות מהר יותר. שנתיים אחר כך הראה אדווין האבל את אותו דפוס בעזרת מרחקים טובים יותר. גלקסיה רחוקה פי שניים מתרחקת מהר פי שניים:

$v = H_0 \, d$⁠

זה חוק האבל–למטר, ו־$H_0$⁠, קבוע האבל, הוא קצב ההתפשטות היום: כ־70 קילומטרים בשנייה על כל מגה־פרסק של מרחק (מגה־פרסק הוא 3.26 מיליון שנות אור). כלומר כ־21 קילומטרים בשנייה על כל מיליון שנות אור. למדוד את המרחקים האלה קשה, ואסטרונומים בנו סולם של שיטות לשם כך, מהפרלקסה של כוכבים קרובים ועד כוכבים מתפוצצים בגלקסיות רחוקות.

בלי מרכז ובלי קצה

אם הכול מתרחק מאיתנו, מפתה לחשוב שאנחנו יושבים באמצע פיצוץ. אנחנו לא. דמיינו רשת שמצוירת על יריעת גומי, ובכל כמה צמתים מודבק מטבע. מותחים את היריעה באופן אחיד, וכל מטבע מתרחק מכל מטבע אחר. על איזה מטבע שלא תעמדו, האחרים מתרחקים, ואלה שרחוקים פי שניים מתרחקים מהר פי שניים, כי יש ביניכם פי שניים יריעה נמתחת.

היקום עובד באותו אופן. הגלקסיות לא עפות דרך החלל הרחק מנקודה אחת. הן נשארות פחות או יותר במקומן, והחלל שביניהן גדל. כל גלקסיה רואה אותו דבר: כל האחרות מתרחקות, מהר יותר עם המרחק. להתפשטות אין מרכז, ועד כמה שידוע ליקום אין קצה שאליו הוא מתפשט.

נסו: גררו את זמן מאז המפץ הגדול מיקום צעיר אל העתיד. ריבועי הרשת גדלים, והתווית שמתחת לריבוע המודגש אומרת בכמה. אחר כך בחרו בצפייה מתוך את גלקסיה אחרת. היריעה זזה כך שהגלקסיה הזו יושבת באמצע, וכשמזיזים שוב את הזמן הכול מתרחק ממנה, כולל שביל החלב.

חזרה לניסוי ↑

החלל נמתח, הגלקסיות לא

הגלקסיות בסצנה שומרות על גודלן בזמן שהרשת נמתחת. זה לא קיצור דרך. הכוכבים בגלקסיה מוחזקים יחד בכוח הכבידה, חזק בהרבה ממה שהמתיחה האיטית של החלל יכולה למשוך אותם זה מזה, ולכן גלקסיה לא גדלה. גם מערכת השמש לא, וגם כדור הארץ, וגם אתם. שביל החלב והשכנה שלו אנדרומדה קרובים מספיק כדי שהכבידה מקרבת ביניהם, והם יתמזגו בעוד כמה מיליארדי שנים. ההתפשטות ניכרת רק בין קבוצות וצבירים של גלקסיות, על פני מיליוני שנות אור רבים.

הרשת בסצנה קשורה לגלקסיות. כל גלקסיה שומרת על אותו מקום ברשת, והרשת כולה נמתחת לפי מספר אחד, גורם קנה המידה: כמה גדול היקום בהשוואה להיום. הוא 1 היום; הוא היה 0.5 כשכל מרחק בין גלקסיות רחוקות היה חצי ממה שהוא עכשיו.

נסו: הזיזו את הצגת מהירויות ואור עד חציו, אל החצים. כל חץ מראה את המהירות שבה גלקסיה מתרחקת מהבית, בקנה מידה. כולם מצביעים הרחק מהבית, ולגלקסיות הרחוקות יותר יש חצים ארוכים יותר. התרשים שליד הסצנה מציב אותן על קו ישר אחד.

חזרה לניסוי ↑

רחוק מספיק, המהירות עוברת את מהירות האור. היום זה קורה במרחק של כ־14 מיליארד שנות אור. שום דבר לא נשבר: אף גלקסיה לא עוקפת קרן אור שלידה. המרחק גדל כי החלל שבאמצע גדל, ומגבלת המהירות של איינשטיין עוסקת בתנועה דרך החלל, לא בקצב שבו החלל יכול להימתח.

אור שנמתח בדרך

אור שנע בין גלקסיות חוצה חלל נמתח, והגלים שלו נמתחים יחד איתו. אם היקום גדל בחצי בזמן שהאור בדרך, כל גל מגיע ארוך פי אחד וחצי מכפי שיצא. אסטרונומים כותבים את המתיחה כ־$1 + z$⁠, כאשר $z$⁠ היא ההסחה לאדום, ו־$1 + z$⁠ שווה לגודל היקום כשהאור מגיע חלקי גודלו כשהאור יצא לדרך.

לכן הסחה לאדום היא לא בדיוק אפקט דופלר של צופר חולף, שהצליל שלו יורד כשהוא מתרחק. היא תיעוד של כמה היקום גדל בזמן שהאור היה בדרך. לאור מגלקסיות קרובות היה מעט זמן להימתח. אור ממרחקים גדולים נע מיליארדי שנים, דרך יקום שגדל הרבה בינתיים, ולכן הוא מגיע אדום בהרבה. אור כחול הופך לאדום, אור אדום הופך לתת־אדום, והגלקסיות הרחוקות ביותר שידועות זורחות בעיקר בתת־אדום עד שהאור שלהן מגיע לכאן.

נסו: הזיזו את הצגת מהירויות ואור עד הסוף, אל מהירויות ואור. כל גלקסיה מקבלת את הצבע שיש לאור שלה כשהוא מגיע הביתה, והרחוקות ביותר דועכות. גל רץ מהגלקסיה המסומנת אל הבית: הוא יוצא סגול וקצר, ונמתח ומאדים בדרך. התווית אומרת כמה זמן האור היה בדרך.

חזרה לניסוי ↑

התצוגה מראה גם משהו שקל לפספס. היריעה היא תמונת מצב של כל הגלקסיות באותו רגע, משהו שאיש לא יוכל לראות לעולם. לאור לוקח זמן להגיע, ולכן אנחנו רואים כל גלקסיה כפי שהייתה כשהאור שלה יצא לדרך, ואת הרחוקות ביותר כפי שהיו לפני מיליארדי שנים. בתחילת הדרך היו גלקסיות רחוקות כל כך שהאור שלהן עוד לא הספיק להגיע אלינו בכלל.

האור שנמתח יותר מכל הוא קרינת הרקע הקוסמית: הוא יצא לדרך 380,000 שנה אחרי המפץ הגדול כזוהר כתום, ונמתח מאז פי 1,100 בערך לגלי מיקרו.

האטה, ואחריה האצה

ברוב ההיסטוריה של היקום, הכבידה של כל החומר שבו האטה את ההתפשטות, כמו שכדור שנזרק למעלה מאט. אסטרונומים ציפו למדוד כמה מהר היא מאטה. בשנת 1998 השתמשו שתי קבוצות בננסים לבנים מתפוצצים בגלקסיות רחוקות כדי להביט אחורה בזמן, ומצאו את ההפך: בשישה מיליארד השנים האחרונות בערך ההתפשטות מאיצה.

מה שמניע את ההאצה נקרא אנרגיה אפלה. ידוע עליה מעט, חוץ מזה שהיא נראית חלק מהחלל עצמו, זהה בכל מטר מעוקב, כך שככל שהחלל גדל יש ממנה יותר והדחיפה שלה גוברת. החומר הרגיל והחומר האפל הבלתי נראה שמחזיק גלקסיות יחד מתדללים ככל שהחלל גדל; האנרגיה האפלה לא. במודל של הסצנה המפנה מגיע 7.6 מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול.

נסו: עקבו אחרי העקומה בתרשים בזמן שאתם מזיזים את זמן מאז המפץ הגדול. בהתחלה היא תלולה ומתעקלת כלפי מטה, כשהכבידה מאטה את הגדילה. אחרי ההאצה מתחילה היא מתעקלת כלפי מעלה. כשהחצים מוצגים, השוו את המהירות של הגלקסיה המסומנת בההאצה מתחילה ובהעתיד: אותה גלקסיה, מתרחקת מהר יותר.

חזרה לניסוי ↑

להריץ את הסרט אחורה

אם מריצים את ההתפשטות אחורה, הגלקסיות מצטופפות, החלל מתכווץ, והכול נעשה חם וצפוף יותר. לפני כ־13.8 מיליארד שנה היה היקום חם וצפוף כל כך שלא יכלו להתקיים בו אטומים או כוכבים. ההתחלה הזו, והיקום החם והמתפשט שיצא ממנה, הם מה שהמפץ הגדול פירושו. זה לא היה פיצוץ בנקודה אחת בחלל: זה קרה בכל מקום בבת אחת, והזוהר שנשאר ממנו ממלא את השמים כולם.

מכיוון שלאור היו 13.8 מיליארד שנה לנוע בזמן שהיקום המשיך להימתח, המקומות הרחוקים ביותר שאנחנו יכולים לראות נמצאים היום במרחק של כ־46 מיליארד שנות אור. הכדור הזה הוא היקום הנצפה. היקום כנראה ממשיך מעבר לו; אנחנו פשוט לא יכולים לראות רחוק יותר. לתחושה של הגדלים, מאטומים ועד הכדור הזה, ראו קנה המידה של היקום.

מה המודל משאיר בחוץ

• הגלקסיות עומדות במקומן ברשת. גלקסיות אמיתיות גם נעות דרך החלל, כמה מאות קילומטרים בשנייה, כשהן נופלות לעבר השכנות שלהן. לכן אנדרומדה הקרובה מתקרבת אלינו. במרחקים גדולים ההתפשטות מכסה על התנועות האלה.
• היריעה שטוחה ואין לה עובי. היקום האמיתי תלת־ממדי; פרוסה שלו מראה את אותו דפוס. הגאומטריה שלו בקני המידה הגדולים ביותר נמדדה כשטוחה, כמו כאן.
• הגדלים אינם בקנה מידה. הגלקסיות מצוירות גדולות פי אלפים מבמציאות, וכל אחת מייצגת הרבה גלקסיות אמיתיות; בחלק של היקום שאנחנו יכולים לראות יש מאות מיליארדי גלקסיות.
• הצבעים מפושטים. האור של כל גלקסיה מטופל כזוהר של 6,500 K שהתקרר בגלל המתיחה, וזה בדיוק מה שקורה לזוהר כזה כשהוא נמתח. לגלקסיות אמיתיות יש ספקטרום מסובך יותר, והן מתעמעמות עם המרחק הרבה יותר מכפי שמוצג. גלקסיות שהאור שלהן יצא לדרך ב־400 מיליון השנים הראשונות, כשגלקסיות רק התחילו להיווצר, מוסתרות.
• המודל הוא התאמה. גורם קנה המידה עוקב אחרי המודל המקובל עם 31% חומר ו־69% אנרגיה אפלה, קבוע האבל של 67.7 km/s למגה־פרסק וגיל של 13.8 מיליארד שנה. הקרינה, שהייתה חשובה רק בכמאה אלף השנים הראשונות, הושמטה. מדידות של קבוע האבל בעזרת גלקסיות קרובות נותנות כ־73, אי־התאמה שעדיין לא מובנת.