כיצד מודדים את גודל היקום

היקום הוא ענק. אנחנו יודעים את זה. אבל כמה גדול הוא ואיך אנחנו יכולים אפילו למדוד את גודלו של היקום?

נפוץ למדוד מרחקים אסטרונומיים בשנות אור. זה המרחק שהאור עובר בשנה, בערך 9 טריליון ק”מ.

עכשיו בואו נדבר על גודל היקום

אנחנו לא יכולים לראות את כל היקום. יש דברים שהם כל כך רחוקים שהאור משם עדיין לא הגיע אלינו. אז אנחנו הולכים להתמקד ביקום הנצפה. זה החלק שאנחנו יכולים לראות בעזרת אור או גלי כבידה.

אז כמה גדול זה? ובכן, זה כדור עם רדיוס של כ -46 מיליארד שנות אור, או, למען הפשטות, כ –90 מיליארד שנות אור מקצה לקצה. זה גדול בטירוף.

לא מדדו את היקום עם סרגל. אז איך יודעים?

נתחיל עם גיל היקום. האומדן הנוכחי הוא בסביבות 13.8 מיליארד שנים. זהו משך הזמן המקסימלי אשר לקח לאור להגיע אלינו. ואז מחשבים כמה רחוקה נקודת הפליטה של האור הזה עכשיו. וזה הרדיוס של היקום הנצפה. זכרו שמרחק זה אינו 13.8 מיליארד שנות אור. זה הרבה יותר גדול. על מנת להבין מדוע זה כך, עליכם להבין שהחלל עצמו מתרחב.

אנלוגיה פופולרית, שעבורה אני רוצה לקצור את זרי הדפנה, היא כיכר לחם צימוקים שנאפה בתנור. כל צימוק מייצג צביר גלקסיות בתא הבצק. ובכן, הצימוקים לא נעים דרך הבצק. אבל כשהלחם עולה, הצימוקים מתרחקים זה מזה כי הבצק עצמו מתרחב. כל צימוק נשאר באותו גודל. צבירי גלקסיות לא מתרחבים, וגם לא גלקסיות בודדות, כדור הארץ, בני אדם ועצים. זהו רק החלל הריק יחסית בין צבירי הגלקסיות הגדולים הללו.

והבצק לא רק מתרחב, הוא גם יכול להתרחב במהירויות שונות בשלבים השונים של תהליך האפייה. אולי הוא מתפשט במהירות רבה במשך מיליארד שנים ואז מאט למשך שני מיליארד השנים הבאות.

שתי עובדות אלה, התפשטות החלל והעובדה שהוא יכול להתרחב במהירות משתנה, מקשות על מדידת גודלו של היקום הנצפה. למעשה, החלל עצמו יכול להתרחב בכל מהירות, אפילו מהר יותר ממהירות האור.

כדי לחשב את גודל היקום, יש לדעת באיזו מהירות החלל מתרחב בכל נקודה בזמן.

איך אנחנו יכולים לדעת את היסטוריית ההתפשטות של היקום?

צבע האור נקבע על ידי אורך הגל שלו. אור עם אורך גל ארוך יותר הוא אדום יותר, אור עם כחול קצר יותר. אם החלל לא יתרחב, לאור מגלקסיה רחוקה יהיה אותו צבע עם הגעתו לכדור הארץ כמו עם עזיבתו את מקור האור: כחול עם עזיבתו, כחול עם הגעתו. עם זאת, ככל שהמרחב מתרחב, אורך הגל של האור נמתח בדרכו אלינו, והופך את האור הכחול לאדום; מכאן מגיע המונח – הסחה לאדום או היסט לאדום (באנגלית: Redshift).

האור מגלקסיות רחוקות יותר הוא יותר מוסט לאדום יחסית לאור מהגלקסיות הקרובות יותר. כי לאור ממקומות מרוחקים יש דרך ארוכה יותר לפניו. אז הוא מבלה יותר זמן בחלל המתרחב, “בבצק העולה”. כתוצאה מכך, אורך הגל שלו נמתח במידה רבה יותר.

אבל איך הסחה לאדום ומרחק מחושבים מבחינה כמותית

זו שאלת מיליון הדולר. אם היינו יודעים את התשובה בפירוט מספרי, היינו יכולים לחשב את היסטוריית ההתפשטות ובכך את גודל היקום.

כדי למדוד את הקשר בין מרחק ל- היסט לאדום צריך לחפש גלקסיות רחוקות, הרבה יותר רחוקות מאנדרומדה. למדוד את המרחקים שלהם ואת ה- Redshift שלהם. לאחר מכן יש להכניס מרחקים אלה ואת ההסחה לאדום לתרשים ולמצוא את העקומה המתאימה ביותר. וניתן להסיק מכך כמה מהר היקום מתרחב בכל זמן נתון.

איך אתה יכול לקבוע את גודלו של היקום?

עלינו לקבוע תחילה את גיל היקום. אז בואו נחזור ללחם הצימוקים. אם ניתן לסרט של הבצק העולה לרוץ אחורה, במהירות שסיפור ההתפשטות אומר לנו, הצימוקים בסופו של דבר ישכבו אחד על השני (המפץ הגדול).

האומדן הנוכחי הטוב ביותר שלנו שחישבנו באמצעות התפשטות היקום הוא 13.8 מיליארד שנים, פחות או יותר. השלב השני הוא, ובכן, משימה אריתמטית מעצבנת. אבל אנחנו יכולים להמחיש את זה כדלקמן. דמיינו שמספר שניות אחרי המפץ הגדול, כל צימוק פולט קרן אור, שיכולה לנוע מבלי להיתקל במכשולים. אם ניתן לסרט לנוע קדימה, הקרניים הדמיוניות האלה ינועו בחלל מתרחב במהירות שהיסטוריית ההתרחבות מכתיבה ויגיעו אלינו בזמנים שונים.

אז אנחנו יודעים שליקום הנצפה יש קוטר של בערך 90 מיליארד שנות אור. אז התשובה לשאלה מה הוא גודל היקום היא: 90 מיליארד שנות אור.

אבל מה לגבי היקום הבלתי נצפה? האם אין גלקסיות רחוקות יותר שהאור של הגלקסיות עדיין לא הגיע אלינו? ובכן, כן, יש. אבל אני חושש שזה נושא למאמר אחר.