היקום מסביב לנו

הקדמה:

לפני 30 שנה נפרץ התחום הצר של גלי האור, דרכו שאבנו במשך אלפי שנים את כל הידע האסטרונומי שלנו, והחילונו מפיקים מידע עשיר ומגוון מקרינות אלקטרומגנטיות בעלות תדירויות גבוהות ונמוכות יותר מאלו של גלי האור.

בראשית המאה ה-20 נפתחה תקופה חדשה בתולדות האסטרונומיה, תקופת הניסיון והתצפית. במהלכה פוענח מקור האנרגיה של הכוכבים; הוסברה תופעת ההיסט לאדום כעדות להימצאות היקום במצב של התפשטות; התגלו הפולסארים — אותם כוכבי נייטרונים דחוסים הנותרים בעקבות התפוצצות אדירה של כוכבים; וכגולת כותרת — אותרה קרינת רקע שמקורה ב״מפץ הגדול״ — אותה התפוצצות אדירה של כדור החומר הראשוני שסיפקה כוח מניע להתפשטות היקום.

בכך לא תמה סאת התגליות. משפחת כוכבים הקרויים ״כפולי קרינת X״ סללו את הדרן לאישוש קיומם של ״החורים השחורים״, המציבים את הפיסיקה מול הצורך ליצור תאוריה פיסיקלית מאוחדת, אחריה תר אינשטיין ללא הצלחה שנים ארוכות.

גילוי הקוואזרים הציב אותנו לפני אחת החידות הסתומות ביותר. הקוואזרים הם גרמים שמיימיים בעלי מימדים מיזעריים יחסית, אך בעלי עוצמת קרינה פי 100 מהגאלכסיות הבהירות ביותר, המכילות מאות מיליארדי שמשות ומימדיהן נמדדים בעשרות אלפי שנות אור. קיומם של הקוואזרים מעלה את השאלה שמא כללי הפיסיקה היפים לסביבתנו הקרובה אולי אינם תקפים במרחבי היקום — מקום בו שוכנים הקוואזרים.

לבסוף, האם יתכנו קיומן של ציביליזציות מחוץ לכדור הארץ? אין שום סיבה להניח שמכלל אין-ספור כוכבי הלכת המאכלסים את הגלאכסיה שלנו, התפתחו החיים רק על-פני כדור הארץ. אולם, בירור השאלה הוא ביסודו בעייתי. אמצעי הבדיקה שלנו מתבססים על חוקי האסטרונומיה, הכימיה והפיסיקה, בעוד שאת תופעת החיים לא ניתן להגדיר בקטגוריות של מדעי הטבע. בכך אנו משולים לעיוור צבעים היוצא לשדה לקטוף פרחים אדומים.4

 

5

א. עידנים בתולדות האסטרונומיה

כל הידע האסטרונומי האנושי, פרט למספר קטן מאד של יוצאים מן הכלל, גלום בקרינה המגיעה אל כדור הארץ מהחלל החיצון. חלק קטן מקרינה זו הוא קרינת חלקיקים, המכונה קרינה קוסמית. רובה המכריע של הקרינה הנושאת מידע אסטרונומי היא קרינה אלקטרומגנטית. כמעט כל המידע על מבנה גרמי השמים והתפתחותם ועל היקום והתפתחותו, לא התקבל אלא ע״י אנליזה של קרינה זו.

הקרינה האלקטרומגנטית מכילה להלכה רצף אינסופי של כל התדירויות. בפועל מוכרות לנו קרינות אלקטרומגנטיות, החל בתדירות של כמה אלפי הרץ (גלי רדיו) עד לתדירויות של 10²⁴ הרץ (קרני גאמה).

מנקודת מבט ניסיונאית, ממנה מוערכת האסטרונומיה לא מבחינת תוכנה אלא מבחינת האמצעים בהם היא נרכשת, ניתן לראות את תולדותיה כמתחלקים לשתי תקופות. האחת תחילתה לוטה בערפל פרה-היסטורי וסיומה עם גמר מלחמת העולם השניה. התקופה השניה היא דור שלושים השנים האחרונות. המאחד והמאפיין את התקופה הראשונה הוא בכך שבמשך אלפי שנותיה נשאב הידע האסטרונומי מקרינה אלקטרומגנטית בתחום שבין התדירות 4×10¹⁴ הרץ לתדירות 10×10¹⁴ הרץ לערך, דהיינו בתחום גלי האור. נמצא שתחום הקרינה ממנו נשאב המידע האסטרונומי במשך כל ימי ההיסטוריה, עד לדור האחרון, לא היה אלא חלון צר ביותר בספקטרום האלקטרומגנטי, שרוחבו על סקאלה לוגריתמית מהווה פחות משני אחוזים מחזית הקרינה הקיימת והמתפשטת בחלל היקום. בדור שלאחר מלחה״ע השניה נפרץ חלון זה, ומידע על העולם החל להאסף מכל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי.

הסיבה להצטמצמות המחקר האסטרונומי במשך אלפי שנים לתחום האור בלבד, נעוצה בראש ובראשונה בפיסיולוגיה ובפסיכולוגיה של האדם, העושות אותו, באמצעות העין, לרגיש במיוחד לתחום זה של ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית. גם בדורות האחרונים, בהם עיקר פעילות המחקר האסטרונומי הניסיוני עברה מעין האדם אל מכשירי מדידה וצילום, פס הקרינה הנחקר לא התרחב בגלל מעטפת האטמוספירה של כדור הארץ. רוב סוגי הקרינה בעיקר בתחום התדירויות הגבוהות מתדירות גלי האור, כגון קרינת אולטרה-סגול או קרינת X, נבלעים בשכבות שונות של האטמוספירה ואינם מגיעים אל מכשירי המדידה שעל-פני כדור הארץ.

אטמוספירת כדור הארץ חדירה לקרינה אלקטרומגנטית במספר תדירויות נמוכות מתדירות פס האור, בעיקר בתחום גלי הרדיו, אולם עד לעת האחרונה לא היתה קיימת טכנולוגיה עדינה דיה לקליטת אותות רדיו-אסטרונומיים. ניסיונות ראשוניים בקליטת אותות כאלה החלו בשנות השלושים של המאה הנוכחית, אולם הפריצה הגדולה של המחקר האסטרונומי מתחום גלי האור לתחום גלי הרדיו החלה לאחר מלחה״ע6 השניה, ובמידה רבה בעקבותיה, עם התפתחותן המהירה של טכנולוגיות הרדאר והרדיו.

ההתפתחויות הטכנולוגיות בדור האחרון בתחומי האלקטרוניקה והמצב המוצק איפשרו פתיחת תחום ספקטרלי חדש נוסף לפני המחקר האסטרונומי. בראשית שנות השישים הוחל בבניית מכשירי קליטה רגישים לקרינת אינפרא-אדום. מאז עומדות גם קרינות בתחום זה של הספקטרום, החודרות דרך האטמוספירה, לרשות המחקר האסטרונומי.

שנות השישים היו גם ראשיתו של עידן היציאה אל החלל בעזרת רקיטות ולווינים. בתקופה זו עברו לראשונה מכשירי מדידה ואף בני-אדם, אל מעבר למחסום האטמוספירי של הקרינה. בכן הוסר הצעיף שהסתיר את הקרינה האסטרונומית ברוב תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי, ותצפיות מלוויינים באולטרה סגול, בקרני X ובקרני גאמה תופשות כיום חלק מכריע במחקר האסטרונומי הניסיוני. פריצות הדרך המהפכניות בתחום התצפיות הטביעו את חותמן על אופי המחקר האסטרונומי בדור זה, וכפי שנראה מייד הן ייחדו אותו והבדילוהו מן המחקר בדור שקדם לו.

 

כדי להבין היטב את מקומו של הדור האחרון בתולדות האסטרונומיה ואת התרומות המכריעות שניתנו במהלכו לתוכנו של מדע זה, כדאי לסקור בקצרה את העידנים העיקריים בהתפתחות האסטרונומיה והאסטרופיסיקה¹ .

שני תאריכים במאה התשע-עשרה, השנים 1814 ו-1838, ראויים לציין את ראשיתה של האסטרופיסיקה המודרנית. התאריך הראשון מציין את השנה שבה נתגלו קווי בליעה ספקטרליים² באורה של השמש ולאחר מבן גם באורם של כוכבים אחרים, ע״י יוסף פראונהופר. בתאריך השני נמדד לראשונה, ע״י פרידריך וילהלם בסל, המרחק אל כוכב שבת. זיהוי הקווים הספקטרליים היה התצפית הניסיונית הראשונה בהיסטוריה שהביאה מידע על המבנה הפנימי של כוכבים. בכך נפרץ לראשונה מחסום אי-הידיעה על טיבם של גרמי השמים מחוץ למערכת השמש. אי-ידיעה זו היתה כה מוחלטת עד שנתפשה ע״י הפילוסוף עמנואל קאנט, בסוף המאה השמונה עשרה, כמחוייבת המציאות וכמייצגת מגבלות מהותיות של התבונה האנושית. המדידות של בסל, כחצי יובל שנים לאחר מכן, היוו פריצת דרך בכך שהרחיבו את התחום הניתן למדידה פיסיקלית של מרחב העולם — אל מחוץ למערכת השמש. שיטת המדידה של בסל — שיטת הפאראלקסה³ — משמשת עד עצם היום הזה כבסיס להכרת מבנה העולם ולהערכות הקיימות על מימדיו ועל מימדי מרכיביו השונים. כל המבנה הניסיוני והמחשבתי הגדול של האסטרונומיה הגלאכטית והחוץ-גלאכטית ושל הקוסמולוגיה ותורת ההתפתחות של היקום, מבוסס על מרחקים שנמדדו בשיטת הפאראלקסה למספר מאות של כוכבים הסמוכים יחסית לשמש.

הפעילות המדעית האסטרונומית למן תגליות גדולות אלה ועד לראשית המאה העשרים, ניתנת לאיפיון בעיקר כעבודת איסוף ומיון של נתוני תצפית בשיטות של תצפית-עין, צילום, פוטומטריה וספקטרוסקופיה. בסוף המאה ה-19 היתה מתודת המחקר האסטרונומי דומה במידה רבה לשיטות העבודה במדעים זואולוגיים ובוטניים מסוימים, שעיקרן אגירת נתוני תצפית וניסיונות להגדרת משפחות וקבוצות בהם. בראשית המאה העשרים נפתחה תקופה חדשה בתולדות האסטרונומיה, תקופה בה הונחו היסודות התאורטיים של האסטרופיסיקה המודרנית. עבודותיהם של ארתור סטנלי אדינגטון, ס. צ׳נדרסקאר ואחרים, הבהירו לראשונה את מהותו ומבנהו של צביר החומר הבסיסי ביקום — הכוכב. בסוף שנות השלושים נפתרה גם חידת מקור האנרגיה של השמש והכוכבים, במחקריו התאורטיים של האנס בטה, שהראה כי אנרגיה זו משתחררת בריאקציות היתוך גרעיניות במרכזיהם של הכוכבים. בנוסף על היותן מקור אנרגיה חשוב, מהוות ריאקציות אלה גם תהליכי בנין של החומר ביקום ע״י היתוך יסודות כימיים פשוטים, ומימן בראשם, ליסודות כבדים ומסובכים יותר, כגון: הליום, חמצן, גפרית או ברזל. עם גילוי הריאקציות, הבנת התהליכים המתרחשים בהן וחישוב קצב התחוללותן, נפתח לראשונה פתח להכרת הכוכב כישות דינמית ומתפתחת ולא כדבר-מה קפוא וקבוע לעד כפי שנתפש בעבר. גם לגבי היקום בכללותו, כמושא של דיון ומחקר בתחום ההכרה ומדע הקוסמולוגיה, מהווה המחצית הראשונה של המאה ה-20 תקופה שבה הונחה התשתית התאורטית ובה הוגדרו מושגי יסוד והותוו מודלים המשמשים עד היום בסיס למחקר בתחום זה. אמנם, אי-אפשר שלא להזכיר את התרומה התצפיתית המכרעת שניתנה בשנות ה-20 לקוסמולוגיה עם גילוי תופעת ״ההיסט לאדום״⁴ של גלאכסיות, ע״י אדוין האבל, ועם ניסוח חוק התפשטות היקום הנושא את שמו (ראה להלן). אעפ״כ, גם בתחום הקוסמולוגיה מאופיינת תקופה זו יותר כעידן הפריחה של התאוריה. גם התגלית התצפיתית המהפכנית של חוק האבל לא היתה משאירה את רושמה ואת השפעתה ללא ההכנה התאורטית המוקדמת שסיפק בראשית המאה אלברט אינשטיין, בפיתוח משוואות שדה הגרביטציה7 ובפתרונן, וללא הצגת המודלים התאורטיים של היקום שפותחו בעקבות משוואות ופתרונות אלה, ע״י אלכסנדר פרידמן ואחרים.

העת החדשה בתולדות האסטרופיסיקה, שראשיתה בשנות ה-40 של המאה הנוכחית, מאופיינת, שלא בקודמתה, בעיקר ע״י הישגי האסטרונומיה התצפיתית. כמעט כל התגליות האסטרונומיות הגדולות בתקופה זו מתבטאות בגילוי עצמים או קרינות במרחבי היקום, מהם גם כאלה שקיומם לא נחזה מראש.

כאן ראוי להעיר שחלוקה זו לתקופות בתולדות האסטרונומיה, כמו חלוקות אחרות, הינה שרירותית במידה רבה. אעפ״כ נוכל לראות בשנת 1948 את סיומה הסמלי של התקופה הקודמת בתולדות האסטרופיסיקה, אותה ניתן לבנות בשם ״עידן העיון״. בשנה זו, או בסמוך לה מאד, נוסחו מספר תאוריות אסטרופיסיקליות בסיסיות שהעיסוק הניסיוני בהן, אישורן או הפרכתן, היוו חלק ניכר מהשגיה של התקופה הנפתחת באותה שנה — תקופת הניסיון.

 

ב. תורות קוסמולוגיות

בשנת 1948 התפרסמה תאוריית ״המצב העמיד״ של תומס גולד, הרמן בונדי ופרד הויל, שהטביעה את חותמה על הקוסמולוגיה התאורטית והניסיונית של הדור האחרון. תורה זו הוצעה כאנטיתיזה לתורה הקוסמולוגית המקובלת, כאז כן עתה, המכונה תורת ״המפץ הגדול״ (Big Bang Theory). תורת ״המפץ הגדול״ שואבת את אישורה מתמונת היקום המצטיירת לעינינו על סמך חוק האבל. בשם זה מכונה חוקיות ניסיונית שמצא אדווין האבל לאחר גילוי תופעת ״ההיסט לאדום״, אשר לפיה מהירות ההתרחקות של גלאכסיה פרופורציונית למרחקה של אותה גלאכסיה מאתנו. יחס ישר בין מהירות התרחקותן של כל שתי גלאכסיות זו מזו לבין המרחק ההדדי ביניהן, הוא הקשר הקיים בין נקודות הנמצאות במרחב המתפשט בקצב קבוע. נניח כי C ו-D הן שתי גלאכסיות שהמרחק ביניהן גדול פי 2 ממרחקן של הגלאכסיות A ו-B זו מזו. אם המרחב מתפשט כך שכל המרחקים גדלים בקצב קבוע, אזי במשך הזמן שהמרחק A-B גדל, למשל, ב-10%, גם המרחק C-D גדל ב-10%. אולם 10% של המרחק C-D גדול פי 2 מ-10% של המרחק A-B. נמצא כי במשך אותו פרק זמן שבו התרחקו הגלאכסיות A ו-B בשעור מסוים, התרחקו הגלאכסיות C ו-D זו מזו בשעור בפול. במילים אחרות, C ו-D מתרחקות זו מזו במהירות גדולה כפליים ממהירות ההתרחקות ההדדית של A ו-B.

הממצא התצפיתי של האבל מתפרש לפיכך כביטוי ניסיוני לתכונה בסיסית של היקום: התפשטותו. מעובדת התפשטות היקום נובעות מסקנות מרחיקות לכת לגבי מבנהו והתפתחותו. במיוחד נובע מעובדה זו כי בזמנים קדומים היו המרחקים הבין גלאכטיים קצרים יותר, כלומר: היקום היה מכווץ יותר. יתר-על-כן, מחוק האבל מתחייב גם כי היה רגע מסויים בזמן, שבו כל החומר ביקום, למעשה כל היקום כולו, היה מכונס בנקודה אחת. נקודת עולם זו ורגע מיוחד זה, בהם צפיפות האנרגיה והחומר היתה אינסופית, מכונים ״המפץ הגדול״. בנקודה זו וברגע זה חל תהליך אדיר של התפשטות חומר ואנרגיה לכל עבר.למעשה, המפץ הגדול שונה מהתפוצצות במובן המוכר לנו לא רק בגלל קנה המידה הקוסמי של המאורע . לדוגמא, מאית השניה אחרי המפץ הגדול היתה טמפרטורת היקום 100,000 מיליון מעלות. מאורע זה שונה מהתפוצצות גם במהותו. המונח התפוצצות מתאר התפשטות פתאומית ומהירה של חומר או אנרגיה בתוך החלל.המפץ הגדול, לעומת-זאת, איננו מאורע בתוך החלל, אלא התפוצצות החלל עצמו. לא רק חומר ואנרגיה התחילו להתפשט ברגע המפץ הגדול, אלא החלל עצמו נוצר והחל להתפשט באותה נקודת עולם. מאורע המפץ הגדול הוא איפוא ראשיתו של העולם הפיסיקלי המוכר לנו. המשפט האחרון אינו מונע, כמובן, מן השכל האנושי לשאול: מה בכל זאת קדם למפץ הגדול? תשובה אפשרית אחת לשאלה זו הינה שהצפיפות לא היתה, למעשה, אף פעם אינסופית ממש ושההתפשטות הנוכחית של היקום באה בעקבות עידן קודם של יקום מתכווץ. ביקום הקדום צפיפות האנרגיה והחומר הלכה וגדלה עם ההתכווצות עד לערך מסוים, בוודאי גבוה מאד — אך סופי. מערך זה ואילך שינתה ההתכווצות את כיוונה והפכה להתפשטות. שינוי הכיוון הוא המפץ הגדול, ראשיתו של תהליך ההתפשטות הקוסמי המבוטא כיום בחוק האבל.

אפשרות שניה היא שהמפץ הגדול הינו גם ראשיתו של הזמן ואינו מאורע בזמן. למרות הקושי הפסיכולוגי יתכן שאין מניעה לוגית לאפשרות שארוע המפץ הגדול הוא האפס המוחלט של הזמן ושאין כל משמעות למושג הזמן לפניו, כאשר היקום ומאורעותיו אינם בנמצא.

לפי תורת המפץ הגדול ובהתאם לחישובים שנעשו במסגרתה, אין למצוא את התשובה לשאלה ״מה קדם למאורע זה״ ע״י חקירה פיסיקלית או אסטרונומית של היקום. הסיבה לכך הינה שהיקום בהווה הוא פועל יוצא של מצבו בשניה אחת לאחר המפץ הגדול. במצב זה הטמפרטורה וצפיפות החומר והאנרגיה הינן כה גדולות עד כי8 הלחצים והכוחות הפועלים בו שוברים כל צורה של מבנה מוגדר של החומר. מצב תוכנו של היקום ברגע זה משול לתבשיל רותח העשוי ממצרכים שונים. כאשר טמפרטורת העיסה עולה, מרכיביה נשרפים ומתפרקים. בטמפרטורות גבוהות מאד אין העיסה מורכבת עוד ממצרכים אלא מציבור אבני הבנין של המצרכים, דהיינו ממולקולות שונות. במצב זה אין יותר סימני היכר למצרכים מהם הורכבה העיסה, שכן, לא נותר בה זכר למבניהם ולחוקיות התנהגותם. הוא הדין ביקום. תוכנו בן השניה האחת מופרד למרכיביו היסודיים ביותר, ללא תלות בצורות ובמבנים של גלגול קודם, אף אם היה כזה. היקום כפי שאנו מכירים אותו כיום התקרר והתעבה מאותו תבשיל בראשיתי. מבנהו של היקום יכול לפיכך לשקף רק את מצבו באותה שניה שבאה תיכף למפץ הגדול ואת תהליכי ההתעבות שבאו בעקבותיה, אך אין בו כל אינפורמציה על העבר שקדם לשלב העיסה הרותחת.

 

מאורע המפץ הגדול חסוי לא רק מעין הפיסיקה הניסיונית. גם באופן תאורטי לא ניתן להציגו במסגרת החוקיות הפיסיקלית המוכרת לנו. הסיבה לכך היא שצפיפות החומר והאנרגיה גדולה עד כדי חריגה מן התחום הניתן לתאור ע״י חוקי הפיסיקה הידועים. בעגה המקצועית מכונה המפץ הגדול ״נקודה סינגולרית״, דהיינו: איזור חלל-זמן, אשר בו הנוסחאות המתמטיות, המבטאות את חוקי הפיסיקה, כוללות ביטויים אינסופיים, ומאבדות לפיכך את משמעותן.

הרצון להכניס את הנקודה הסינגולרית לעולם הפיסיקלי הוא הסיבה למאמצים התאורטיים הגדולים של העת האחרונה לתאר תמונת יקום הקרובה ככל האפשר לנקודת המפץ הגדול עצמו. ישנן תאוריות המסבירות את מבנה העולם כפי שהיה מאית שניה בלבד אחרי המפץ הגדול, ועוקבות אחרי התפתחותו, לפחות באופן עקרוני, עד למצבו בהווה. ברור שככל שמתקרבים אל הנקודה הסינגולרית, הצפיפות הולכת וגדלה, והחומר מפורק לגורמים יסודיים יותר. מכאן הקשר שנוצר בשנים האחרונות בין קוסמולוגיה לבין תאוריות בתחום הפיסיקה של החלקיקים האלמנטריים. זאת ועוד, מחמת הצפיפות האדירה סמוך למפץ הגדול, גם שדה הגרביטציה ליד נקודה זו מקבל ערכים כבירים, ולכן מהווה המפץ הגדול, גם נקודת פגישה עם תורה בסיסית נוספת בפיסיקה — תורת הגרביטציה, או כפי שהיא מכונה לפעמים, תורת היחסות הכללית. הבנת ראשיתו של העולם בנקודת המפץ הגדול קשורה לפיכך בהבנה חודרת ומקפת של מהותם היסודית ביותר של החומר ושל שדה הגרביטציה. תאור מלא של מאורע מיוחד ומופלא זה יהיה כרוך, ללא ספק, בחשיפת רובדים עמוקים ונסתרים עד כה בפיסיקה של עולמנו. כל התורות הקוסמולוגיות מסתמכות על נתון תצפיתי בסיסי לגבי העולם, והוא עובדת היות כל הכיוונים בחלל שווים. במילים אחרות, אין בחלל כיוונים מועדפים. תכונה זו של היקום, המכונה איזוטרופיה, מתבטאת בתצפית בכך שכל גודל פיסיקלי הניתן למדידה אסטרונומית, נמצא בלתי תלוי בכיוון בחלל בו נערכת התצפית, בתנאי שהגודל נמדד כממוצע על-פני נפחים גדולים בחלל. לדוגמא, צפיפות המאסה הינה לכאורה תכונה לא איזוטרופית. לגבי צופה על-פני כדור הארץ, ערכה בכיוון מרכז כדור הארץ (צפיפות האדמה) שונה באופן קיצוני מערכה בכיוון ההפוך (צפיפות האטמוספירה). גם על פני מרחבים מחוץ לכדור הארץ, יימצאו לכאורה כיוונים שהצפיפות בהם גדולה כמו, למשל, בכיוון השמש, ואילו בכיוונים אחרים הצפיפות נמוכה יותר. גם כאשר נעבור לקנה מידה גדול עוד יותר נמצא, למשל, כי בכיוון מרכז הגלאכסיה צפיפות החומר גבוהה יותר בהשוואה לצפיפותו בכיוון הניצב למישור הגלאכסיה. אבל אם נרחיב את צפייתנו עוד יותר ניווכח, כי כל המדידות וההערכות הקיימות לגבי הצפיפות הממוצעת של חומר על-פני נפחים מסדר גודל של מרחקים בין ציבורי גלאכסיות, נותנות תוצאות שאינן תלויות בכיוון המדידה. תופעת האיזוטרופיה של היקום הינה הביסוס התצפיתי המובהק ביותר לעקרון הקוסמולוגי המונח ביסודן של רוב התורות הקוסמולוגיות. עקרון זה קובע, כי תמונת העולם בלתי תלויה בנקודת התצפית בחלל; היקום הינו הומוגני, דהיינו אחיד במבנהו ובמופעו. תאוריית המפץ הגדול מכירה בהומוגניות של מרחב העולם, אולם ברור שאין בו הומוגניות של הזמן. היקום, לפי תורה זו, אינו אחיד במבנהו לאורך הזמן; בזמנים שונים יש לו מבנה שונה. למשל, צפיפות החומר בעולם איננה גודל בלתי תלוי בזמן, אלא קטנה עמו. אי-ההומוגניות של הזמן, על-פי תורת המפץ הגדול הינה קיצונית עד כדי קביעת נקודת זמן מיוחדת שבה התחיל היקום המוכר לנו להתהוות, הלא היא נקודת הזמן של המפץ הגדול.

אחד המניעים החזקים ליצירתה של תורת המצב העמיד היתה הרגשת אי-הנוחות שחשו יוצריה, לפי עדות עצמם, כלפי חוסר ההומוגניות של הזמן, הנובע מתורת המפץ הגדול. לפני כארבע מאות וחמישים שנה ביטל ניקולאס קופרניקוס את יחודיותו של כדור הארץ כנקודת יחוס מרכזית, או כמקום תצפית מיוחס בקוסמוס של ימיו. מהפיכה זו בתודעה האנושית מהדהדת עד היום והיא מסבירה את הסלידה הקיימת בין אנשי מדע מפני מתן משמעות מיוחדת ביקום לנקודה מסויימת במרחב או בזמן. בונדי וגולד לא הסתפקו בעקרון הקוסמולוגי. הם העדיפו עקרון קוסמולוגי מושלם, אשר לפיו תמונת העולם הנגלית לעינינו הינה בלתי תלויה לא רק במקום התצפית אלא גם במועדה. העקרון המושלם קובע, כי היקום הומוגני במרחב ובזמן. הנתונים התצפיתיים של אדווין האבל9 ואחרים, אשר לפיהם הגלאכסיות מתרחקות בהתמדה זו מזו, עומדים לכאורה בסתירה לעקרון הקוסמולוגי המושלם, שכן נראה כאילו צפיפות החומר בעולם הולכת וקטנה עם הזמן ואיננה קבועה בו כפי שמתחייב מעקרון זה. על-מנת ליישב את התצפית הנסיונית עם העקרון המושלם, הציעו בעלי תורת המצב העמיד כי ביקום נוצר ללא הרף חומר יש מאין. חומר זה מפצה את היקום על הקטנת הצפיפות הנובעת מהתפשטות הגלאכסיות. חישוביהם מראים כי על מנת להבטיח שצפיפות החומר תהיה קבועה ביקום, שבו הגלאכסיות מתרחקות זו מזו בקצב הנמדד, צריך שבכל נפח של ליטר אחד בחלל היקום תיווצר מאסה של פרוטון אחד (10^-24 x גר’ 1.67) בממוצע, אחת לכל 500 מיליארד שנים.

 

אדם משכיל, בן המחצית השניה של המאה העשרים, שהתחנך על ברכי חוק שימור החומר כעקרון פיסיקלי בסיסי, עלול להתקומם נגד תאוריה פיסיקלית הטוענת ליצירת חומר יש מאין. כנגד התקוממות אפשרית זו יש לומר, כי גם תורת המפץ הגדול איננה פטורה מתהייה דומה. גם לפי תורה זו, או מכל מקום לפי חלק מניסוחיה המקובלים, העולם כולו, והחומר והאנרגיה שבו בכלל זה, נוצרו יש מאין. אמנם תהליך יצירה זה היה מוגבל בזמן לרגע יחיד של המפץ הגדול. אולם ברור כי גם תאוריה זו אינה מתיישבת עם עקרון שימור החומר. למעשה, דווקא תורת המצב העמיד סותרת פחות את עקרון שימור החומר. עקרון זה, כחוק פיסיקלי המקבל את אישורו מן הנסיון, איננו טוען שכמות החומר במערכת סגורה קבועה בזמן. ניסוח זהיר שלו צריך להיות שכמות החומר במערכת סגורה איננה משתנה בקצב העולה על ערך מסוים, התלוי בגבול הרגישות העליון של מכשירי המדידה הקיימים. יצירת החומר בתורת המצב העמיד אינה עומדת בסתירה לחוק בניסוחו זה, שכן הקצב הנדרש ע״י התורה ושהוזכר לעיל קטן בהרבה מסף הרגישות של מכשירי המדידה. למרות שביקום נוצר חומר יש מאין, אין יצירת חומר זו יכולה להתגלות בנסיון ישיר כלשהו, ולכן, מנקודת ראותה של הפיסיקה, האסטרונומיה וכל מדעי הטבע, חוק שימור החומר מתקיים. סטייה מעקרון של שימור חומר מוחלט,10 בשיעור המזערי המתבקש מתורת המצב העמיד יכולה להתגלות רק בתוך מערכת בעלת המימדים הרחבים ביותר האפשריים, הווה אומר — בקנה מידה קוסמי. לפי תורת המצב העמיד, סטייה זו אמנם מתגלית ע״י תנועת התפשטות הגלאכסיות. שלושים השנים האחרונות של המחקר הקוסמולוגי עומדות בסימנו של הוויכוח הגדול בין חסידיהן של שתי התורות הקוסמולוגיות הללו. אמנם, ויכוחים בין קוסמולוגיות שונות אינם מאורעות חדשים בתולדות התרבות האנושית, אולם הוויכוח בין תורת המצב העמיד לבין תורת המפץ הגדול מיוחד בכך שהטיעונים העיקריים בו היו הצגה של נתוני תצפית חדשים שנאספו במהלך הדור האחרון. אחת מנקודות המחלוקת העיקריות בין שתי התורות היא מסקנתן השונה לגבי צפיפות החומר ביקום בעבר. תורת המפץ הגדול אומרת, כי בעבר היתה הצפיפות גדולה מבהווה. התורה היריבה אומרת, כי מצב העולם עמיד וצפיפותו הממוצעת קבועה ועומדת לעד. מחלוקת זו ניתנת עקרונית להכרעה בדרך של תצפית ניסיונית. כידוע, כל קרינה אלקטרומגנטית: רדיו, אור, גמא וכו’, מתפשטת בחלל במהירות האור, שערכה 300,000 ק״מ בשניה. זוהי אמנם מהירות גדולה מאד, אולם היא אינה אינסופית. פירוש הדבר שהמהלך שעושה קרינה ממקור פליטתה עד למקום גילויה מתמשך לאורך זמן. על-פני כדור הארץ המרחק בין מקורות הקרינה לבין גלאייה, קצר בדרך כלל אפילו ממהלך של שניה אחת של האור. ברחבי הגלאכסיה, בוודאי בחלל הבין-גלאכטי, המרחבים כה גדולים עד כי מהלכה של קרינה אלקטרומגנטית בהם יכול להימשך אלפים, מיליונים ואף מיליארדים של שנים.

אור המגיע לטלסקופ מגלאכסיה הנמצאת במרחק של מיליארד שנות אור⁵ עשה דרכו במרחב במשך מיליארד שנה עד שהגיע אלינו. תצפית בגלאכסיה כזו כמוה בהצצה אל העבר, שכן קליטת הקרינה ממנה מספקת אינפורמציה על הגלאכסיה כפי שהיתה לפני מיליארד שנה. כיוצא בזה, צילום של קבוצת גלאכסיות מרוחקות נותן תמונה של מצבם ההדדי בעבר הרחוק. השוואה של צפיפות הגלאכסיות בקבוצה מרוחקת בזו לצפיפות קבוצת גלאכסיות קרובה, הינה לפיכך השוואה של צפיפות החומר הממוצעת בעבר לעומת צפיפותו בהווה. השוואה כזו עשויה, כאמור, להכריע בין שתי התורות הקוסמולוגיות היריבות. הצגת תאוריית המצב העמיד בשנת 1948 מסמלת את סיומה של תקופת ה״עיון״ בתולדות האסטרונומיה. המאבק בין תורה זו לתורת המפץ הגדול מתנהל מאז באמצעות ממצאים תצפיתיים המהווים את מאפייניו הנאמנים של הדור הבא בתולדות האסטרונומיה — דור הניסיון. התצפיות בעצמים מרוחקים נתנו משקל גדל והולך לתורת המפץ הגדול, שכן נראה מהם כאילו צפיפות החומר בעולם היתה בעבר באמת גדולה יותר. עם זאת, תצפיות אלו לא הביאו לכלל הכרעה ממש בין התורות, בגלל הקשיים המרובים בקביעת מרחקים ובמדידת הצפיפויות של עצמים מרוחקים.

 

ג. קרינת בראשית

ההתמודדות בין תורת המפץ הגדול לבין תורת המצב העמיד הוכרעה, בכל-זאת, בדור האחרון, לפני כשלש-עשרה שנה. ההכרעה באה ממקום אחר, אך מקורה בתצפיות אסטרונומיות. הממצא התצפיתי אשר לדעת רוב האסטרונומים מכריע את הכף בעד תורת המפץ הגדול, הוא אחת התגליות הניסיוניות הגדולות ביותר של האסטרונומיה במאה העשרים ואולי גם של הפיסיקה בכלל. הכוונה לגילוי קרינת הרקע ביקום בתחום גלי המיקרו של הספקטרום האלקטרומגנטי, שהקנה לשני מבצעיו את פרס נובל לפיסיקה לשנת 1978. סיפורה של תגלית זו מאפיין במידה רבה את תקופת 30 השנים האחרונות ואת ההבדל בינה לבין התקופה שקדמה לה. יסודות התאוריה אודות קרינת הרקע הוצגו בשנת 1948, השנה המסמלת, כאמור, את סיומה של תקופת העיון. בתקופה שלאחריה, אותה כינינו תקופת הניסיון, אמנם נערכו ניסיונות ותצפיות ובמהלכן התגלתה קרינת רקע זו באופן ניסיוני.

בסוף שנות הארבעים החלו הפיסיקאי האמריקני ג׳ורג׳ גאמוב וכמה מעמיתיו לחקור את התורה הקוסמולוגית של המפץ הגדול. הם בקשו לבדוק את ההיבטים הפיסיקליים הנובעים ממערכת המצויה בתנאי הטמפרטורה והצפיפות הקיצוניים ששררו ביקום סמוך למפץ הגדול. במיוחד ביקשו לדעת האם ניתן להסביר את הרכב החומר הקיים ביקום בהווה, על יסודותיו הכימיים השונים, בהשתלשלות המתחייבת ע״י פיסיקת הגרעין, מן המצב ההתחלתי של המפץ הגדול. כפי שאמרנו, נקודת המפץ הגדול עצמה איננה ניתנת לתאור פיסיקלי. כיוון שכך, נטלו גאמוב וחבריו, כמערכת מוצא, יקום המורכב מאוסף של נייטרונים בצפיפות ובטמפרטורה גבוהים מאד, והחלו לעקוב אחר הריאקציות הגרעיניות והתרמיות המתחוללות במערכת כזאת, המתפשטת ומתקררת. הם מצאו כי על-מנת להסביר את שכיחותם העכשווית ביקום של יסודות קלים כמו הליום או ליתיום, כהשתלשלות מחוייבת של חוקי הפיסיקה מאותו יקום התחלתי, יש צורך להניח כי בזמן היווצרותם של יסודות אלה בתהליכים גרעיניים מאוסף הנייטרונים הבראשיתי, הכיל היקום נוסף על החומר גם שדה קרינה אלקטרומגנטית. גלי שדה הקרינה משתתפים בריאקציות הגרעיניות ואפשר לחשב את עוצמת השדה, דהיינו מהי כמות הקרינה הנדרשת על-מנת לייצר יסודות בשכיחויות הנמדדות כיום בניסיון. יקום זה של חומר וקרינה נמצא בתהליך התפשטות בלתי פוסק, בגזירה שווה להתנהגות גזים מתפשטים במערכות מעבדה רגילות. התפשטות היקום מלווה בהתקררותו, וכשם שהתפשטות הגז מבלון הסודה לשתיה11 מלווה בהתקררות הגז והבלון, התפשטות היקום מלווה בירידה מתמדת בטמפרטורה שלו. לגבי הקרינה הממלאה ושוטפת את היקום, ירידה בטמפרטורה משמעותה מעבר הקרינה מגלים קצרים לגלים ארוכים יותר. החישובים שעשו גאמוב ועמיתיו הראו, כי שדה הקרינה הבראשיתי, שעוצמתו ניתנת כאמור לחישוב, התקרר עם התפשטות היקום וכיום הוא מתאים לטמפרטורה של 5° מעל לאפס המוחלט⁶ . קרינה אלקטרומגנטית בטמפרטורה בזו מופיעה כקרינת רדיו, ולכן נבע מן החישובים כי חלל היקום צריך להיות רווי כיום בקרינת רדיו, שהיא שריד מקורר של היקום הלוהט של השנים הראשונות לאחר המפץ הגדול.

קרינת הרדיו שקיומה נחזה בשנת 1948 אמנם נמצאה ונמדדה בשנת 1965 ע״י ארנו פנזיאס ורוברט וילסון. בסדרת תצפיות רדיו שמטרתן היתה למדוד את קרינת הרדיו של גלאכסיות שביל החלב, קלטו שני האסטרונומים באמצעות טלסקופ הרדיו שלהם שידור שהתקבל בעוצמה שווה מכל כיוון בשמים. אחרי שבדקו בקפדנות את מכשיריהם שמא האות אינו אלא ״רעש״ הנובע מתקלה טכנית, הגיעו פנזיאס ווילסון למסקנה, כי מקור אות הרדיו הוא אכן בקרינה אלקטרומגנטית בעלת טמפרטורה של כ-3° קלווין, הבאה בעוצמה שווה מכל כיוון בשמים. בעקבות תגליתם בוצעו תצפיות נוספות וכולן אישרו את קיומה של קרינה בטמפרטורה של 2.7°, המרווה באחידות מלאה את כל היקום. קרינת רדיו זו מהווה את הישות הפיסיקלית העתיקה ביותר המוכרת לנו. יתר-על-כן, קליטתה ומדידתה של קרינה זו הינן, למעשה, מעין התבוננות עקיפה במאורע הייחודי של המפץ הגדול עצמו.

גילוי קרינת הרקע נתן תוקף וסיוע מכריעים לתורת המפץ הגדול. הוא הוכיח כי עולמנו הוא אמנם בעל התכונות המתחייבות מן המודל המוצע ע״י תאוריה זו. קרינת ה-3° ממלאה בדיוק חלק חסר מתמונת עולם מושלמת, שבה כל הקיים בהווה, האנרגיה המצויה והחומר על מרכיביו השונים ושכיחויותיהם הנמדדות, מהווה מכלול אחד המתחייב ומשתלשל מארוע המפץ הגדול בעבר. בתורת המצב העמיד, לעומת זאת, אין למעשה מקום לקרינה מעין זו שנמצאה בתצפית, וקשה למצוא במסגרתה הסבר לקיומה ולטמפרטורה שלה. פרשת קרינת בראשית זו, מדגימה וממחישה בעליל את אופיו של דור 30 השנים האחרונות כעידן הניסיון. בדור זה הפכה גם הקוסמולוגיה, תחום החשיבה והמחקר שנושא עיסוקו הוא היקום בכללותו ותולדותיו, למדע ניסיוני, שבו — כמו בכל תחום מדע אחר — תצפיות ומדידות ניסיוניות משמשות אבני בוחן לתאוריות ולמודלים.

 

ד. פולסארים

מאורע תצפיתי אחר — גילוי הפולסארים, נמנה אף הוא עם התגליות הגדולות ביותר של הדור האחרון, ואכן הוא זיכה את אחד ממגליו בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1974. גם מאורע זה מבטא נכונה את רוח דור ״הניסוי״ באסטרונומיה ואת ייחודו לעומת דור התאוריה שקדם לו. התגלית ארעה באקראי בשנת 1967, כאשר טלסקופ הרדיו של שני חוקרים מאוניברסיטת קמברידג’ באנגליה, אנטוני יואיש וג׳וסלין בל, החל קולט אותות רדיו מחוץ למערכת השמש.12 אותות אלה, אשר עוצמת שידורן עלתה וירדה בקצב קבוע ובתדירות גבוהה מאד — מספר פעמים בשניה, נקלטו בטלסקופ הרדיו כפעימות. על שום פעימות (פולסים) אלו, כונו מקורות האותות בשם פולסארים. צפיות אינטנסיביות במקורות הקרינה החדשים לאחר גילויים, בשילוב עבודה קדחתנית של אסטרופיסיקאים תאורטיים בכל רחבי העולם, הביאו בשנת 1968 לפיענוחם של פולסארים מסתוריים אלה ולזיהויים ככוכבי נייטרונים מסתובבים. כוכבי נייטרונים היו עד לאותה עת יצירי רוח ופרי מחשבה של אסטרופיסיקאים תאורטיים.

מחקרים של אבות האסטרופיסיקה המודרנית, כאדינגטון, צ׳נדרסקאר ואחרים, הראו כי הכוכב המצוי הוא מערכת הנמצאת בשיווי משקל בין שתי מגמות מנוגדות. כוח הגרביטציה פועל בין כל חלקיקי החומר מהם בנוי הכוכב, ושואף לקרבם זה לזה. בכך נוצר לחץ בלתי פוסק בכיוון של התכווצות הכוכב. כנגד מגמה זו פועל לחץ פנימי, לחץ תרמי של הגז במרכז הכוכב הנתון בטמפרטורות גבוהות. בסוף שנות השלושים הראה האנס בטה כי לחץ תרמי זה ניזון מאנרגיה המשתחררת בריאקציות גרעיניות במרכז הכוכב, במהלכן מתאחדים גרעיני מימן והופכים לגרעיני הליום תוך כדי פליטת אנרגיה. שיווי המשקל בין מגמת ההתכווצות למגמת ההתפשטות מתקיים כל עוד קיים חומר דלק עבור הריאקציות הגרעיניות, כלומר — כל עוד כמות המימן במרכז הכוכב גדולה. משאוזל מלאי המימן, הלחץ התרמי קטן ויד הגרביטציה גוברת. תהליך ההתכווצות המתחדש יכול, בתנאים מסויימים, להעזר שנית ע״י הלחץ התרמי, הניזון ממקורות אנרגיה נוספים בכוכב, כגון ריאקציות גרעיניות של יסודות שונים ממימן, כמו הליום, פחמן ואחרים. אולם מסתבר שכל עצירה אפשרית בתהליך ההתכווצות נמשכת רק לאורך זמן סופי וכל כוכב מגיע לשלב שבו לא נותר לו כל חומר דלק גרעיני במרכזו. מכאן, סופה של הגרביטציה לגבור על כל מקורות האנרגיה התרמיים בכוכב, ודינו נחרץ במוקדם או במאוחר להתכווצות הולכת וגוברת בתהליך המכונה קריסה גרביטציונית. בשנות העשרים והשלושים של המאה הנוכחית, למעשה עוד לפני שמקורות האנרגיה התרמית בתוך כוכב התגלו ע״י בטה, התחילו רוברט אופנהיימר ואחדים מתלמידיו ומממשיכיו לחקור מה קורה לחומר הנמצא בשלב התכווצות כזה.

אפשרות אחת היא שהקריסה הגרביטציונית תסתיים בשלב שבו האטומים של הכוכב המתכווץ יתקרבו זה לזה עד כדי מגע ביניהם. אם מאסת הכוכב הקורס קטנה מכ-1.4 מאסות שמש, מגע כזה יוצר לחץ המאזן את לחץ הגרביטציה, ותהליך ההתכווצות נעצר לתמיד. אם מאסת הכוכב גדולה מכ-1.4 מאסות של השמש, אין במגע זה כדי לעצור את תהליך ההתכווצות, והקריסה הגרביטציונית תימשך. ממדי הכוכב יוסיפו להצטמק, וכל מאסתו תידחס לנפח של כדור שרדיוסו קילומטרים ספורים בלבד. צפיפות החומר בתוך כדור מאסה זה מגיעה לכדי מגע בין גרעיני האטומים. המרחק בין גרעיני האטומים אינו עולה על המרחק בתוך הגרעין בין מרכיביו: הפרוטונים והנייטרונים. חלקיקים אלה מאבדים לפיכך את שייכותם לגרעיני אטומים מסויימים. עקב הלחץ הגדול, הפרוטונים גם קולטים לתוכם את האלקטרונים של האטומים והופכים לנייטרונים. וכך הכוכב שוב אינו בנוי יותר מיסודות כימיים שונים, אלא מציבור צפוף של נייטרונים.

מאחר שגז נייטרונים הוא בעל לחץ חזק מאד, המאזן את הלחץ הגרביטציוני, נכנס כוכב הנייטרונים למצב של שיווי משקל יציב.

תהליך הקריסה ומעבר הכוכב למצב של כוכב נייטרונים, נעשה במשך פרק זמן קצר מאד (אולי תוך מספר שעות בלבד), ואגב אירוע אלים ביותר של התפוצצות הכוכב. מאורע זה, מן הדרמטיים ביותר המוכרים לנו ביקום, מכונה סופרנובה. במהלכו פולט הכוכב המתפוצץ אנרגיה בקצב המשתווה לעתים לקצב פליטת האנרגיה מגלאכסיה שלמה, דהיינו — ממיליארדים של כוכבים. הסופרנובה נראית ככוכב המופיע בן לילה, ועוצמת אורה שקולה לחלק ניכר מעוצמת האור של הגלאכסיה בתוכה היא מופיעה. הכוכב החדש מתחיל לדעוך מייד לאחר הופעתו הפתאומית, ותוך ימים או שבועות ספורים הוא נעלם מן העין. מהכוכב המתפוצץ שורדת עננת גז גדולה המתפשטת בחלל, היא המעטפת של הכוכב, הנפלטת בכוח אדירים החוצה. השריד השני מחורבנו של הכוכב הוא כוכב נייטרונים, או חור שחור (ראה להלן). צפיפות החומר בכוכב נייטרונים גדולה עשרות אלפי מונים מצפיפות החומר לו אנו מורגלים. משקלו של ראש סיכה, העשוי חומר של כוכב נייטרונים, יגיע על-פני כדור הארץ למאות מיליוני קילוגרם. ניתן לומר על כוכב נייטרונים שאינו אלא גרעין אטום אחד, כביר מימדים, שכן הוא מורכב מנייטרונים, שצפיפותם היא בצפיפות הניינטרונים בגרעין של אטום. ההבדל בין השניים, פרט למידותיהם, הוא בכך שאוסף הנייטרונים בכוכב זה אינו מוחזק יחדיו על-ידי הכוחות הגרעיניים, הקושרים את גרעינוני האטום זה לזה, אלא על-ידי כוח הגרביטציה.

תוך מספר חודשים למן גילוי הפולסארים ע״י יואיש וג׳וסלין בל, התברר שתופעת הפעילות ושלל הממצאים הניסיוניים שנתלוו אליהן, מתבארים היטב ע״י מודל של כוכב נייטרונים המסתובב במהירות רבה סבב צירו. כוכב הנייטרונים פולט קרינת רדיו בצורת אלומה צרה ומכוונת, המסתובבת בחלל עם סיבוב הכוכב ודומה לאלומת האור של מגדל אור. הפעימה בטלסקופ הרדיו נקלטת בכל פעם שאלומת הקרינה של כוכב הנייטרונים חולפת על פני כדור הארץ.

הנה כי כן, לאחר שלושים שנה יצא כוכב הנייטרונים מכלל מושג הגותי מופשט, והפך לעצם אסטרונומי הניתן לצפייה ולמדידה פיסיקלית.

הגילוי הניסיוני של כוכבי נייטרונים מאפשר תצפית ישירה בחומר ביקום בתנאים שאין לחקותם על פני כדור הארץ. בכך מהווה הוא מעין מעבדה פיסיקלית קוסמית לחקר תכונות חומר, הנסתרות מעינינו בתנאי כדור הארץ.

 

ה. חורים שחורים

אילו היה נשאל אסטרונום בשנות החמישים של המאה, האם כדאי להשקיע מאמץ בתצפיות אסטרונומיות בתחום קרני הרנטגן (קרני X), קרוב לוודאי שתשובתו היתה שלילית. על סמך כל הידוע באותה עת על כוכבים ועל מקורות קרינה אחרים בגלאכסיה ומחוצה לה, לא היה מקום לצפות לקרינה בעוצמה הניתנת לקליטה בתחום זה של הספקטרום האלקטרומגנטי. בסוף שנות השישים היו ידועים פחות מעשרה מקורות אסטרונומיים נוספים של קרינת X. בשנת 1970 שוגר מקניה לוויין אמריקני למטרת סקר שיטתי של השמיים, בחיפוש אחר מקורות קרני X נוספים. כיוון שהשיגור בוצע ביום העצמאות של קניה, כונה הלוויין13 לכבוד הארץ המארחת בשם אוהורו — חופש בסואהילית. משהחל לשדר את תוצאות מדידותיו, גרם אוהורו למהפכה באסטרונומיה. הוא גילה, בניגוד לכל המצופה, כי השמיים זרועים במקורות של קרני X וכי רבים מהם בעלי התנהגות בלתי שגרתית לחלוטין לגבי מקורות קרינה אסטרונומיים. המהפכה שחולל אוהורו ולוויינים דומים לו, חורגת מתחום האסטרונומיה הקלאסית; יתכן שהיא מביא בכנפיה מהפכה, מכל מקום היא מציינת צעד גדול קדימה של הפיסיקה.

בין מאות מקורות קרני X שנתגלו בשמיים ע״י הלוויינים, קיימת משפחה גדולה של עצמים המכונים ״כפולי קרינת X”. ניתוח הקרינה ממקורות אלה מגלה שהינם מערכות של כוכבים כפולים, דהיינו — זוגות של כוכבים המסתובבים סביב מרכז כובד משותף. בעובדה זו כשלעצמה אין חידוש רב, שכן אחוז גבוה מאד מבין כל הכוכבים בגלאכסיה הם כוכבים כפולים או חברים במערכות בנות מספר גדול עוד יותר של כוכבים. המיוחד בכפולי קרינת X הוא בכך שאחד משני בני הזוג הוא עצם דחוס. המונח ״עצם דחוס״ משמש לציון מאסה מסדר גודל של מאסת כוכב, שעברה, לפחות באופן חלקי, תהליך של קריסה גרביטציונית ונמצאת לפיכך בצפיפות גדולה מאד. כאמור, קיימות שתי תחנות עצירה אפשריות לתהליך הקריסה הגרביטציונית, העצירה הראשונה אפשרית כאשר המרחק הממוצע בין האטומים של המאסה הקורסת מגיע לשיעור של רדיוס האטומים. מצב זה של שיווי משקל אפשרי לכוכב בעל מאסה שאינה עולה על 1.4 מאסות שמש, והוא מכונה ננס לבן. מצב שיווי משקל שני של חומר דחוס הוא כוכב נייטרונים. גם הוא אפשרי רק עבור כוכבים בעלי מאסות הקטנות מ-10 מאסות שמש בקירוב. אין הפיסיקה מכירה שום כוח בעולם שיכול לעצור קריסה גרביטציונית של כוכבים בעלי מאסות גדולות ביותר, אשר כילו את מלאי חומר הדלק הגרעיני שבמרכזם.

העצם הדחוס במערכת של כפולי קרינת X הוא ננס לבן, כוכב נייטרונים או כוכב הקורס גרביטציונית ללא גבול. המערכת מהווה מקור לקרינת X בגלל שדה הגרביטציה האדיר הקיים בסביבתו של העצם הדחוס. במערכת כזאת שני בני הזוג קרובים מאד זה לזה, והשדה של הכוכב הדחוס מושך אליו חומר מן המעטפת של בן זוגו. חומר זה נופל לתהום הגרביטציונית תוך כדי תנועת סחרור, בדומה למערבולת המים הנוצרת בפתח היציאה של האמבטיה. תהליך זה של יניקת חומר יוצר דיסקית גז המסתובבת סביב העצם הדחוס, כשהיא ניזונה מחומר שנשפך מהכוכב השכן ונופל עליה בכוח כביר. אנרגיית הנפילה הופכת בחלקה לחום ולכן טמפרטורת הדיסקית מגיעה למאות אלפים ואפילו מיליונים של מעלות. גז לוהט זה הוא מקור קרני X במערכת.

 

חלק מ״כפולי קרינת ה-X״ מהווה איפוא משפחה נוספת של כוכבי נייטרונים שבהם אפשרית תצפית אסטרונומית. אחת הסיבות לעניין הרב של פיסיקאים ואסטרונומים בעצמים אלה היא האפשרות לנצלם כמעבדות לחקר תכונות החומר, כפי שהוסבר לעיל. אולם, העניין במקורות קרני X מרחיק לכת הרבה יותר. יתכן שמספר עצמים כאלה מייצגים דוגמאות מוחשיות למערכות הנמצאות בפועל מחוץ לעולם הפיסיקלי המוכר לנו. בכך הן חושפות את גבולות ההכרה האנושית ומאלצות הרחבה או שינוי בהבנתנו את החוקיות הפיסיקלית השלטת ביקום.

במערכת של כוכב כפול ישנם פאראמטרים הניתנים למדידה בנוסף על הפאראמטרים המאפיינים כוכבים בודדים. אלה הם הגדלים הקשורים בתנועה הסיבובית של שני בני הזוג סביב מרכז הכובד של המערכת; למשל, שינוי בעוצמת האור של הכוכב הכפול, הנובעת מליקויו של כל אחד משני בני הזוג ע״י זולתו. במקרים רבים, על סמך מדידות של גדלים אלה, אפשר להעריך את המאסות של בני הזוג במערכת. במספר מקורות קרני X כפולים נמצא כי המאסה של הכוכב הדחוס במערכת, גדולה מהגבול העליון של המאסה האפשרית של כוכב נייטרונים. אם הערכות אלו יתאמתו בוודאות, אזי לפי מיטב ידיעתנו והבנתנו את הפיסיקה והאסטרונומיה, כפולי קרינת X אלה מכילים מאסה ממוטטת, הנמצאת בתהליך אינסופי של קריסה גרביטציונית. מאסה המתמוטטת וקורסת תחת כוח הגרביטציה העצמית היא מערכת הניתנת לתאור פיסיקלי עד גבול מסויים. תהליך ההתמוטטות מוביל להצטמקות המאסה לנפחים קטנים והולכים (כלומר, לעליית הצפיפות), ובהעדר מעצור לתהליך עוברת צפיפות המאסה כל גודל סופי. כלומר, הצפיפות שואפת תוך זמן קצר לאינסוף. התאוריה הפיסיקלית שבמסגרתה ניתן לתאר צפיפויות חומר גדולות ושדות גרביטציה חזקים כמו אלה הקשורים עם מאסה מתמוטטת, היא תורת הגרביטציה של אינשטיין, תורת היחסות הכללית. כאשר מאסה כדורית קורסת, רדיוס הכדור הולך וקטן ושדה הגרביטציה על פניו הולך וגדל. כאשר רדיוס הכדור נעשה קטן מערך מסויים, המכונה רדיוס שוורצשילד, שדה הגרביטציה על פני הכדור חזק דיו למנוע כל בריחה ממנו, כולל בריחה של קרינה אלקטרומגנטית. במצב כזה מבונה העצם ״חור שחור״; חור — על שום שכל חומר הנמצא בסביבתו יכול רק ליפול בכיוונו, ושחור — על כי שום קרינה אינה נפלטת ממנו.

לפי הפרוש הגיאומטרי של אינשטיין, שדה גרביטציה הוא התעקמות של המרחב. חוזק השדה מבטא את גודל העקמומיות. איזור הפנים של מאסה בעלת צפיפות רגילה הוא אזור עקום של המרחב, אולם הוא קשור לאזורים רחוקים מן המאסה. קשר זה מתבטא באופן ניסיוני בכך שאפשר להעביר חומר ואנרגיה מאזור המאסה החוצה אל המרחב הרחוק. איזור פני החור השחור, לעומת זאת, נקרע וניתק מן המרחב היותר רחוק. איזור החור השחור והמרחב הסובב אותו מהווים שני מרחבים ללא קשר ביניהם. הביטוי הניסיוני לכך הוא העדר היכולת ליצור קומוניקציה כלשהי מתוך חור שחור אל העולם מחוצה לו. המונח חור14 שחור מקבל איפוא, לפי תורת היחסות, מובן עמוק יותר; הוא מבטא חור ברצף החלל של עולמנו.

מושג החור השחור נובע כמסקנה ממשוואות התנועה וממשוואות שדה הגרביטציה בתורת היחסות הכללית. במשך כל השנים מאז ניסוח התורה בראשית המאה, יש לו קיום רק כחיוץ (אקסטרפולציה) תאורטי של התורה, לתנאים של צפיפות חומר הגדולה לאין שעור מכל צפיפות שבהן נתנסתה תורה זו בפועל. כיום נראה כאילו תצפיות במספר מקורות קרני X מעידות על קיומם הפיסי של חורים שחורים ביקום. אם אמנם יתאשר הדבר מעל לכל ספק, כי אז יהיה זה בראש ובראשונה נצחון גדול ואישור כבד משקל לתורת היחסות. כמו-כן, יהיה בכך סיוע לתורת האבולוציה של כוכבים, עם מציאת השלב האחרון החותם את מסכת חייהם של כוכבים מאסיביים. לתצפית ניסיונית בחור שחור יש למעשה משמעות של גילוי עולם נפרד וסגור בתוך היקום הקיים. כל מה שנמצא בתוך רדיוס שוורצשילד לא יוכל לעולם לחרוג מחוצה לו. מנקודת מבט בתוך חור שחור, קיומו או אי-קיומו של עולם חיצון הוא שאלה שאיננה ניתנת להכרעה, אלא אם-כן יש שפיכת חומר או קרינה לתוך החור השחור מסביבתו. מסיבה זו ישנם קוסמולוגים המציעים כי היקום כולו הינו חור שחור. בשנים האחרונות חלו מספר התפתחויות חשובות בתחום התאוריה של חורים שחורים, עד כדי מהפיכה בתפישה המקובלת של המושג עצמו. עד לפני כ-10 שנים מקובל היה התאור דלעיל של חור שחור כמצב קיום סופי של חומר ואנרגיה שאיבדו לחלוטין ולנצח כל קומוניקציה עם סביבתם. תאור כזה של חור שחור מתקבל במסגרת תאוריה שבה החומר בנוי מחלקיקים קלאסיים והקרינה אף היא מאופיינת ע״י התפשטות גלים קלאסית. מספר פיסיקאים תאורטיים, ובראשם סטפן האוקינג מאנגליה, חשבו ומצאו כי תמונה זו של חור שחור דורשת תיקון קיצוני כאשר מביאים בחשבון את חוקיות ההתנהגות המיקרוסקופית של החומר, המנוסחת ע״י תורת הקוונטים. האוקינג גילה כי חור שחור איננו ״סליק״ אידאלי ביקום, המסוגל רק לבלוע חומר בסביבתו. חור שחור פולט חלקיקים וקרינה אל המרחב הסובב אותו. פליטת החומר והאנרגיה מחור שחור משולה להתאיידות, ובהתאם ניתן לדבר על הטמפרטורה של החור השחור. הטמפרטורה של חור שחור הולכת וגדלה עם ירידת המאסה שלו. במילים אחרות, ככל שהחור השחור פחות מאסיבי, קצב בריחת החלקיקים והקרינה ממנו, וכן האנרגיות שלהם, גדולים יותר.

ניתן גם לחשב את זמני החיים של חורים שחורים בעלי מאסות שונות. למשל, זמן החיים של חור שחור בעל מאסה של 10 מאסות שמש הוא 10⁶⁴ שנים, ואילו חור שחור בעל מאסה של מיליון טון מאדה את עצמו במשך פחות משנה. לחור שחור בעל מאסה של הר-גדול (מיליארד טון) יש זמן חיים השווה לגיל היקום, כלומר לכ-15 מיליארד שנים. הרדיוס של חור שחור כזה הוא כרדיוס חלקיק אלמנטרי, כ-10^-13 ס״מ, והוא מפיק אנרגיה בקצב של כמה מיליוני מגהואט. נמצא שחלקיק זעיר מימדים כזה מסוגל לספק את תצרוכת האנרגיה של המין האנושי כולו.

ממספר חוקי יסוד בתרמודינמיקה ובתורת הקוונטים נובע, כי לחומר בחור שחור אין בל סימני היכר פרט לערך המאסה, למטען החשמלי ולמומנט הסיבוב. החלקיקים הנפלטים מחור שחור, לעומת זאת, הם חלקיקים אלמנטריים בעלי זהות מוגדרת, כגון חלקיקי נייטרון או אלקטרונים. שאלה גדולה, ללא מענה לפי שעה, הינה כיצד ברגע מסויים נפלט מחור שחור חלקיק מסויים ולא חלקיק אחר; במילים אחרות, מהי החוקיות הקובעת את סוג החומר שפולט חור שחור. שאלה זו קשורה בקשר אמיץ עם שאלת החוקיות השוררת ביקום ברגע המפץ הגדול, וכיצד התפתחו ממנו החומר והקרינה בעלי התכונות המסויימות המוכרות לנו ביקום.

הקשר בין חורים שחורים והמפץ הגדול נובע מדמיונם כתופעות סינגולריות. מאסה הקורסת גרביטציונית והופכת לחור שחור, ממשיכה להתמוטט גם אחרי הצטמקותה לתוך רדיוס שוורצשילד. היא מגיעה במהירות רבה לגבול של נפח אפסי וצפיפות מאסה אינסופית. המאסה הופכת לנקודה סינגולרית, כשם שהמפץ הגדול היא נקודה שכזו.

סמוך לנקודה הסינגולרית שבמרכזו של חור שחור, כמו בסמיכות לנקודת המפץ הגדול, הפיסיקה מגיעה לגבולותיה. הנקודה הסינגולרית עצמה נמצאת מחוץ לגבול זה, שכן בה פוקעים חוקי הפיסיקה מתוקפם. קיומם של חורים שחורים ביקום הפיסיקלי מחייב אותנו לתת תשובה לשאלה מהי מהות זאת של קיום, וכן לנסח תורה שבה יצירים אמפיריים אלה יוכלו להיות מתוארים ומבוארים.

לפי תורת היחסות של אינשטיין, רדיוס העקמומיות של המרחב הולך וקטן עם גדול השדה הגרביטציוני. בשלב ההתמוטטות לקראת הנקודה הסינגולרית, השדה הולך וחזק, כלומר רדיוס העקמומיות של המרחב במרכז החור השחור הולך וקטן. כאשר רדיוס זה קטן מהרדיוסים של חלקיקים אלמנטריים, יתכן שהתאור הקלאסי של מרחב רציף, המונח ביסוד תורת היחסות, אינו תופש יותר. יתכן שבמרחב אשר רדיוס העקמומיות שלו קטן מ-10^-33 ס״מ, למשל, יש צורך להשתמש במכניקה קוונטית לתאור המרחב עצמו. ניסוח קוונטי של תורת הגרביטציה עשוי לשמש מסגרת שבה אפשר יהיה לתאר את ארוע המפץ הגדול ואת גבול הקריסה של מאסה מתמוטטת, המהוות נקודות סינגולריות בפיסיקה של היום.

התצפיות בכפולי קרינת X מעמידות את הפיסיקה פנים אל פנים מול הצורך ביצירת תאוריה פיסיקלית מאוחדת, שתכלול במסגרת של חוקיות אחת את תורת הגרביטציה ואת מכניקת הקוונטים. זוהי הבעיה שהעסיקה את אלברט אינשטיין במשך מרבית שנות מחקרו: חיפוש אחר שלמות מופשטת כזו. התצפיות האסטרונומיות של השנים האחרונות חושפות את הצורך בתאוריה כזאת בחריפות רבה, לא כשאלה אסתטית-מופשטת, אלא כבעיה הקשורה במתן פשר לנתונים המתגלים בעולם הניסיון.

ו. קוואזרים

בסוף שנות החמישים, עם התבססותן של טכניקות תצפית בתחום אסטרונומיית הרדיו, נערכו מספר סקרים של השמיים באמצעות טלסקופי רדיו, במגמה למפות את השמיים לפי התחלקות מקורות קרינת רדיו על פניהם. בסקרים אלה התגלתה משפחה של מקורות נקודתיים, דהיינו בעלי מימד זוויתי קטן יותר מכושר ההפרדה של מכשירי התצפית. בניסיון לזהות את מקורות קרינת הרדיו עם עצמים אופטיים, צולמו מסורות אלה בעזרת הטלסקופ הגדול בהר פלומר, שקוטר עדשתו 5 מטר. בנקודות המתאימות למקומם של מקורות הרדיו, נמצאו על לוחות הצילום דמויות זהות לדמויותיהם של כוכבים. מדידות ספקטרוסקופיות גילו כי העצמים מפיקים קרינת אור בעלת עודף גדול של צבע כחול, וכי הספקטרים שלהם מכיל מספר קווי פליטה רחבים. העצמים קבלו את השם קוואזרים, צרוף של שתי המלים באנגלית: קוואזי — דמוי; סטאר — כוכב, כלומר עצמים דמויי כוכבים. הדמיון לכוכבים היה בגודל הזוויתי שמעולם לא הגיע לגבול כושר ההפרדה של הטלסקופ, אך הספקטרום שלהם וקרינת הרדיו החזקה מהם מנעו את מיונם ככוכבים ממש.

במשך למעלה משנתיים היו העצמים החדשים לחידה, בעיקר משום שכל הניסיונות לזהות את הקווים הספקטרליים שלהם עם פליטות של אטומים או יונים מוכרים, עלו בתוהו. תצפיות במספר קוואזרים הראו כי עוצמת אורם משתנה בשעור ניכר תוך פרק זמן שאינו עולה על יום אחד. מכאן ניתן להסיק כי מימדיהם של מקורות אור אלה אינם עולים על יום אור אחד, כלומר — מספר עשרות מיליארדי ק״מ. ייחוס גבול עליון של יום אור אחד למימדי הקוואזרים חיזק תחילה את הסברה שעצמים אלה אכן דומים לכוכבים, ושמקומם הוא בגלאכסיית שביל החלב, שכן מימדי עצמים חוץ-גלאכטיים הניתנים לתצפית, כמו גלאכסיות חיצוניות, מגיעים לעשרות אלפי שנות אור.

תמונה זו של הקוואזרים השתנתה תכלית השינוי בשנים 1963-1962. בשנת 1963, בעקבות לקויו ע״י הירח (דבר שאיפשר את קביעת מיקומו בדיוק רב), זוהה הקוואזר המכונה 3C273 עם עצם אופטי מסויים בשמיים. צילומים בטלסקופים גדולים הראו כי המקור האופטי מורכב מעצם דמוי כוכב וממקור אור נוסף בצורת סילון היוצא ממנו. בכך התברר לראשונה כי 3C273 איננו כוכב, או מכל מקום איננו כוכב רגיל. כשנה לאחר מכן הצליח האסטרונום מרטין שמידט לזהות את קוי הפליטה שנצפו בספקטרום של 3C273 כקווים אופיניים של אטום המימן המוסטים לכיוון האדום בשיעור ניכר. שיעור ההיסט של הקווים הראה, לפי נוסחת אפקט דופלר, שמהירות התרחקותו של 3C273 שוה לכ-16 אחוז ממהירות האור. זוהי מהירות הגדולה פי עשר או יותר ממהירות אופיינית של עצמים בגלאכסיית שביל החלב. שני הגילויים האחרונים, וכן העובדה שספקטרום הרדיו של 3C273 ושל קוואזרים אחרים דומה לזה של גלאכסיות רדיו⁷ , התאימו יותר לתמונה של עצמים חוץ גלאכטיים.

כעצם חוץ גלאכטי, מהירותו של 3C273 צריכה לשקף את התפשטות היקום. אם אכן מקיים הקוואזר את חוק האבל בדבר הקשר הפרופורציונלי בין מהירות ההתרחקות למרחק, כי אז מרחקו של 3C273 מגלאכסיית שביל החלב צריך להיות יותר ממיליארד וחצי שנות אור. גילוי זה מיקם את העצם המוזר בין העצמים המרוחקים ביותר שהיו ידועים באותה עת. אולם ההיסק המפתיע והמדהים ביותר שנבע מזיהוי הקווים הספקטרליים של 3C273 היה המסקנה לגבי עוצמת אורו וקצב תפוקת האנרגיה של הקוואזר. כדי ש-3C273 ייראה מהמרחק האדיר שבו הוא נמצא, בעוצמת האור הנקלטת על-ידינו, עליו להיות בהיר פי 100 ממקורות האור החזקים ביותר ביקום שהיו ידועים עד לגילויו, דהיינו הגלאכסיות הגדולות והבהירות ביותר. גלאכסיה היא, כידוע, ריכוז של מיליארדים של כוכבים15 ותפוקת האור שלה היא סכום עוצמות האור של כל הכוכבים שבה. עוצמת האור של גלאכסיה גדולה לפיכך מיליארדים מונים מעוצמת אור השמש. מקור האור בגלאכסיות, דהיינו הכוכבים, מרוכז בתוך נפח בחלל שמימד האורך שלו הוא מסדר גודל של מספר עשרות אלפי שנות אור. הקוואזר 3C273 מפיק אור בעוצמה השווה למאות מיליארדי שמשות, כאשר כל האנרגיה הזאת מופקת מתוך נפח שרדיוסו אינו עולה על יום אור אחד, כלומר — מנפח הקטן פי 10¹⁵ מנפחה של גלאכסיה. הספקטרום של 3C273 שונה לחלוטין מספקטרום אופייני של גלאכסיה שהינו בדרך כלל מעין ספקטרום ממוצע של כל סוגי הכוכבים. הצבע הכחול באורו של הקוואזר משקף תהליך של יצירת אור, השונה מהתהליך התרמי באטמוספירות של כוכבים, הוא מעיד על שדות מגנטים חזקים ועל חלקיקים השרויים באנרגיות גבוהות מאד באיזור יצירת הקרינה. בשנים שחלפו מאז גילויו של 3C273 נתגלו כמה מאות קוואזרים נוספים. לכולם בהירות עצמית הגדולה עשרות או מאות מונים מעוצמת הקרינה של גלאכסיות שלמות. לכולם ספקטרום המוסט לאדום בשעורים גדולים, דבר המעיד על מהירויות התרחקות עצומות, עד כדי 90% ממהירות האור. קוואזרים כאלה, לפי חוק האבל, מצויים במרחק של מספר מיליארדים שנות אור מאתנו. אפשר לומר כי הקוואזרים תוחמים את גבולות היקום הפיסיקלי המוכר לנו, הן בחלל והן בזמן. הם מהווים את העצמים המרוחקים ביותר וכן את העצמים הקדומים ביותר הידועים לנו כיום. תצפית בקוואזרים הינה הסתכלות ביקום צעיר יותר, כפי שהיה סמוך למפץ הגדול. מכאן חשיבותם הרבה כאבני בוחן לתורות קוסמולוגיות וכסַמָנים אפשריים לתהליכי התפתחות ביקום.

נוסף על חשיבותם הגדולה כתמרורי דרך באבולוציה הקוסמית, מהווים הקוואזרים מזה 15 שנה חידה פיסיקלית ואסטרונומית שעדיין אין לה פתרון. בדומה ל-3C273, גם קוואזרים רבים אחרים אינם יציבים בקרינתם. עוצמת אורם משתנה באחוזים רבים במהלך מספר שנים, או לפעמים, במשך שעות ספורות. השינויים כשלעצמם קשים ביותר להבנה אם נזכור כי עוצמות הקרינה הן מסדר גודל של מאות או אלפי מיליארדים עוצמות שמש. שינויים של 50% מעוצמת אור אדירה כזאת יתחוללו אם, למשל, מאה מיליארד שמשות תכבינה בבת אחת ולאחר מספר שעות תשובנה להאיר כמקודם. מובן שאיננו מכירים כל תהליך כזה, לא בתצפית ולא בתאוריה. למעשה, אין אנו מכירים שום מנגנון שיכול לגרום לשינויים כאלה.

יתר-על-כן, קצב השינויים מעיד כי הקרינה האדירה של קוואזרים מופקת מתוך נפח קטן מאד, בעל רדיוס שאינו עולה על מספר שעות אור, דהיינו — כמה מאות מיליון ק״מ בלבד. כמעט כל תהליכי הפקת אנרגיה המוכרים לנו לא יצלחו ליצירת אנרגיה בקצב ובצפיפות שבה היא נוצרת בפועל בקוואזרים. בשנים האחרונות הועלתה השערה שמקור האנרגיה הוא בהתמוטטות גרביטציונית של כוכב-על בעל מאסה של 100 מיליון מאסות שמש. למערכת כזו יש אנרגיה כצפיפות הנצפית בקוואזרים, אך קיים ספק רב מאד אם מודל המבוסס עליה יוכל להסביר את שפע התופעות הניסיוניות בקוואזרים, כגון השינויים המהירים בעוצמת האור, ספקטרום קרינת הרדיו ועוד. נמצא איפוא, כי העצמים המרוחקים ביותר, האנרגתיים ביותר והעתיקים ביותר ביקום הינם לפי שעה בגדר חידה שהסתום בה רב על הגלוי.

בתגלית הקוואזרים יש משום תזכורת בעלת ערך חינוכי רב, המדגישה את האפשרות שכל הידע האסטרופיסיקלי (ואולי אף הפיסיקלי) שלנו מוגבל ביקום לפינה קטנה בלבד, לסביבה הקרובה אלינו, דהיינו לתחום המאוכלס ע״י גלאכסיות. יתכן כי ידיעתנו בהווה אינה חורגת אל מחוץ לתחום צר זה שמימדיו במרחב ובזמן אינם חורגים ממספר מאות מיליוני שנות אור. כללי הפיסיקה שנתגלו ונתאמתו בסביבה קרובה זאת אפשר שכוחם אינו יפה במרחבי היקום הגדולים, מקום מושבם של הקוואזרים, הרחוקים מאתנו מיליארדי שנות אור.

 

ז. האם אנחנו לבד?

תקופת 30 השנים האחרונות מצטיינת גם בכך שהטיפול בשאלת קיום חיים או אינטליגנציה מחוץ לכדור הארץ חדר אל דפי הספרות המדעית ונכנס לתחום הדיון של כינוסים וסימפוזיונים מדעיים. כן החל בדור זה מחקר ניסיוני בחיפוש אחר סימנים לקיומן של אינטליגנציות חיצוניות. מספר גורמים הביאו להתפתחות זו, חלקם בתחום התאוריה וחלקם בתחום המחקר הניסיוני. הסיבות התאורטיות לכניסתו של הטיפול בשאלת האח״א (אינטליגנציה חוץ-ארצית) לתחום העיסוק המדעי נעוצות בביסוס ובאישוש הרב שניתן בשנים האחרונות לתורת המבנה וההתפתחות של כוכבים, בפרט בכל הקשור לשלבי לידתם ולתהליכי היווצרותם של הכוכבים. העולה ממידע זה הוא שהשמש וכוכבי הלכת הסובבים אותה מהווים מערכת שאיננה יוצאת דופן, אלא, כפי הנראה, תוצר אופייני של תהליך היצירה של כוכבים. לפיכך, מספר כוכבי הלכת בגלאכסית שביל החלב מוערך כיום בכמה מאות מיליארדים. מספר הגלאכסיות הניתנות לתצפית מוערך אף הוא במספר מיליארדים. מסתבר איפוא שתנאים פיסיקליים המאפשרים קיומם של חיים כפי שאנו מכירים אותם יתכן שקיימים ב-10²⁰ מקומות אחרים ביקום הנצפה.

דחיפה ועידוד לטיפול מחודש בבעיית האח״א ניתנו ע״י תגליות חדשות ובלתי משוערות מראש בתחום אסטרונומיית הרדיו. בשנת 1963 נצפו לראשונה קווי רדיו ספקטרליים שזוהו בקרינה של המולקולה 0H. תגלית זו פתחה תחום מחקר חדש באסטרונומיית רדיו, שניתן לכנותו אסטרו-כימיה. אחריה התגלתה שורה ארוכה של מולקולות נוספות, מהן בעלות מבנה אטומי מסובך. עד היום זוהו במרחבי הגלאכסיה קיבוצים של למעלה מ-40 מולקולות שונות. מהן כאלה המוגדרות בכימיה במולקולות אורגניות. גילוי המולקולות בתצפית מראה בעליל כי מבנים אטומיים אלה, ביניהם כאלה המהווים אבני יסוד בבנין המסובך והמורכב יותר של תאים חיים, כגון: מולקולות המים (H₂0), פחמן דו-חמצני (C0₂), אמוניה (NH₃) ואחרות, אמנם קיימים בגלאכסיה ואין כדור הארץ מקום המצאותם הבלעדי.

במקביל לגילוי המולקולות האורגניות החלו בשנים האחרונות ניסיונות ליצור באופן ספונטני מבנים מולקולריים גדולים ממרכיביהם הפשוטים יותר. בתוך מעבדה יוצרים סביבה ותנאים פיסיקליים הדומים ככל הידוע לנו לתנאים ששררו על פני כדור הארץ ובאטמוספירה שלו, בשלבים המוקדמים של התפתחות מערכת השמש. בסביבה מלאכותית זו המורכבת מגזים בהרכבים ולחצים שונים ובטמפרטורות שונות, הנתונים לעירורים וזעזועים של התפרקויות חשמליות (כחיקוי לברקים וזרמים חשמליים באטמוספירה הקדומה), נבדקות ריאקציות כימיות בין מולקולות ונבחנים המבנים המולקולריים החדשים הנוצרים בתנאים אלה. כך נבחנת באופן ניסיוני האפשרות של יצירה ספונטנית של חומצות אמיניות ואולי אף חלבונים ממרכיביהם. לפי פירושים המקובלים כיום לתורת האבולוציה הביולוגית, מתחייבת מקיומם של אבני יסוד כאלה השתלשלות המביאה להתפתחות16 אורגניזמים חיים. הצלחה בניסיונות מעין אלה תחזק לפיכך את הסברה שחיים דומים לאלה שעל פני בדור הארץ אמנם התפתחו ומתפתחים במקומות אחרים בגלאכסיה וברחבי היקום כולו.

על בסיס ממצאים אלה הולכת וגוברת בקרב אסטרונומים הסברה שבמרחבי הגלאכסיה קיימות אינטליגנציות שהתפתחו באופן בלתי תלוי בחיים שעל-פני כדור הארץ, אולי אף משפחות של ציביליזציות, המקיימות תקשורת ביניהן באמצעות גלי רדיו.

המוטיביציות לעיסוק בבעיית האח״א נעוצות במהפיכה הקופרניקנית ובהלך הרוח שנוצר בעקבותיה בדבר מקומו של האדם בטבע וביקום. קופרניקוס סילק את כדור הארץ ממרכזו של הקוסמוס של ימי הביניים. התרבות האירופית נזקקה לעשרות או אפילו למאות שנים כדי להסתגל לרעיון חדש זה. במרוצת השנים, אולי כעין ריאקציה לתפישת העולם העתיקה ולאמונות ימי הביניים, הפכה הקביעה הקופרניקנית משלילה של דוגמות מקובלות למעין עקרון נורמטיבי כשלעצמו: כדור הארץ וסביבתו של האדם אינם יכולים להיות מיוחדים או מרכזיים במובן כלשהו בעולם. הגילוי בתחילת המאה העשרים שהשמש וכוכבי הלכת שלה, עם כדור הארץ בכללם, נמצאים הרחק ממרכז גלאכסיית שביל החלב ומהווים מערכת נטולת יחודיות בגלאכסיה מבחינת מיקומה או תכונותיה הפיסיקליות, התקבל לפיכך בקלות ואולי אף בהתאם לציפיות. הנחת אי-היחודיות של סביבתנו האסטרונומית הקרובה מהווה, למעשה, בסיס לתורת המבנה וההתפתחות של כוכבים, אשר בה השמש משמשת כאב טיפוס אופייני לכוכבים בשלב ההתפתחות הארוך ביותר שלהם. כיוצא בזה הנחת ההומוגניות והאיזוטרופיות של היקום שהוזכרה לעיל, עליה נשענות רוב הקוסמולוגיות המקובלות ביום, אף היא נובעת מהפעלת נורמה קופרניקנית על יקום הנעדר נקודה מרכזית או מיוחדת מצד כלשהו.

נראה כי החיפוש אחר אינטליגנציות חוץ ארציות נובע במידה רבה מהרחבת עקרון אי היחודיות לתופעת האדם עצמו, או ליתר דיוק לתופעת האינטליגנציה. הדחף לחיפושים מקורו בטענה שבדרך השאלה: מדוע נהיה אנחנו לבדנו ביקום? עם כל העוצמה והמשקל שיש ליחס לטענה זו, ודאי שאי-אפשר לראות בה עדות אסטרונומית או ראייה חיובית כלשהי לקיומן של אינטליגנציות חוץ ארציות. רוב הדיונים בספרות המדעית בשנים האחרונות בבעיית האח״א פותחים או מסתמכים על חשבון אומדנה של N — מספר הציביליזציות בגלאכסיה איתן יתכן ליצור קשר. אחד הניסוחים המקובלים לחישוב המספר N ניתן ע״י האסטרונום האמריקני קרל סאגאן בנוסחה זו:

N = R*FpNeFeFiFcL

*R — מספר הכוכבים הנוצרים בגלאכסיה בממוצע לשנה.

Fp — השכיחות היחסית של כוכבים בגלאכסיה בעלי מערכת של פלנטות המסתובבות סביבם.

Ne — המספר הממוצע של כוכבי לכת במערכת פלנטרית, בהם קיימים תנאים המאפשרים יצירה והתפתחות של חיים.

Fe — השכיחות היחסית של פלנטות בהן נוצרו והתפתחו בפועל צורות חיים מורכבות.

Fi — השכיחות היחסית, בין הפלנטות הנושאות חיים, של כוכבי הלכת בהם קיימות אינטליגנציות בעלות יכולת בקרה ותפעול.

Fc — השכיחות היחסית, בין הפלנטות בהן התפתחו אינטליגנציות, של כוכבי לבת בהם פיתחה האינטליגנציה הקיימת טכנולוגיה המאפשרת תקשורת בין-כוכבית ועניין לעסוק בתקשורת זו.

L — אורך החיים הממוצע של ציביליזציות טכנולוגיות בגלאכסיה.

ארבעת הגורמים הראשונים במכפלה של סאגאן ניתנים לגזירה, לפחות באופן עקרוני, מן המדע ובאמצעות המתודה של המדע; חישובם נמצא בתחום העיסוק של ענפי מדע מובהקים באסטרונומיה, ביולוגיה, בימיה או ביו-כימיה.

במסגרת החישובים המקובלים של N, גם הגורם החמישי במכפלה — Fi — מוערך בשיטות אומדנה דומות, אשר לכאורה אינן שונות במהותן מארבעת האומדנים הראשונים. הגורם Fi נאמד כ-1 על סמך העובדה שבמערכת הפלנטרית המוכרת לנו — מערכת השמש — אמנם התפתחו אינטליגנציות של האדם ושל בעלי חיים שונים. אומדן חמישי זה צריך לעמוד בפני בקורת סטטיסטית קשה בהיותו מבוסס על דוגמאות באוכלוסיה אחת בלבד — אוכלוסיית הפלנטות של מערכת השמש. בנוסף על הקשיים הסטטיסטיים, לוקה אומדן זה בחסרון אחר, או מכל מקום בשוני מהותי ביחס לאומדנים הקודמים, וכל הנוקט בו חורג מבלי משים אל מחוץ לתחומם של מדעי הטבע המקובלים. המספר שמבוטא ע״י N לפי טבעו אינו יכול להיות מוסק מתוך ניתוח במסגרת תחום כלשהו ממדעי הטבע, שכן מספר זה אמור לבטא שכיחות של תופעה שאינה נמדדת ואינה אפילו מוגדרת בקטגוריות של מדעי הטבע. תופעת האינטליגנציה בבעלי חיים, שאחד מסממניה הוא קיום רצון חפשי, מאופיינת במידה רבה, לפחות אינטואיטיבית, דווקא ע״י אי-קיום סיבתיות הגלומה בטבע והמתבטאת בחוקי הפיסיקה, הכימיה והביולוגיה. אחד הביטויים המובהקים ביותר לאינטליגנציה ולרצון של אדם או של בעלי חיים הוא בכך שפעילות גופו, הניתנת להגדרה ולמדידה בקטגוריות פיסיקליות וכימיות, אינה ניתנת לתחזית מראש, גם אם ידועים כל תנאי ההתחלה הפיסיקליים והכימיים של המערכת המתארת את היצור החי ואת סביבתו. נקודה זו נמצאת בוויכוח (ועל כך ראה מאמרו של י. ליבוביץ ב״מחשבות״ 35, יולי 1972, עמ׳ 3). מכל מקום, גם הסוברים שתופעת החיים וגילויי רצון ובחירה של בעלי חיים ניתנים באופן עקרוני לרדוקציה לאותה סיבתיות השלטת בעולם הפיסיקלי, יסכימו שהבנת הסיבתיות הקשורה בתהליכים אלה הינה יותר מסובכת במספר סדרי גודל מהבנת מכניזמים בהם מטפלים מדעי הטבע כיום.

אפיזודה קלה בתולדות אחד הגילויים האסטרונומיים הגדולים של השנים האחרונות עשויה לסייע בהארת הבקורת בדבר אי-מדעיותן של הנחות-יסוד בתחום האח״א. כפי שהזכרנו קודם התגלו הפולסארים ב-1967 ע״י פעימות מהירות וקצרות שהופיעו בגלי רדיו ממקור נקודתי בשמיים. במשך מספר חודשים היה פשר הפעימות לחידה, עד להסבר שניתן להם בשנת 1968 במעברים חולפים על פני כדור הארץ של אלומת הקרינה של כוכב נייטרונים מסתובב, מעין זרקור אסטרונומי בגלאכסיה. בתקופת החיפושים אחרי הסבר התופעה התצפיתית, במסדרונות אוניברסיטת קמברידג’, המכון בו נתגלו הפולסארים לראשונה, התהלכה הסברה שהוצעה ספק כהלצה, ספק כאפשרות לדיון רציני, שקרינת הפולסארים והפולסים שבה הנם אותות שידור של אינטליגנציה בגלאכסיה. על דרך המדע הבידיוני כונו היצורים האינטליגנטים ההיפוטטיים ״ננסים ירוקים״ ובשם זה נודעו וכונו הפולסארים במשך מספר שבועות.

מדוע זכו הפולסארים להסבר בלתי שגרתי זה, ולו רק בהלצה ולמשך תקופה קצרה בלבד? הסיבה לכך הינה, כמובן, התנהגותם החריגה של הפולסארים שהיתה שונה מכל תופעות התצפית האסטרונומיות שהיו מוכרות עד לגילויים. דופק הפולסארים היה תופעה חריגה ויוצאת דופן, אשר במשך שבועות ארוכים לא נמצא לה הסבר ״טבעי״ במסגרת הידע האסטרונומי והמודלים המקובלים של כוכבים או של עצמים אסטרונומיים אחרים. ייחוס הפעימות הללו בשנת 967ו ל״ננסים ירוקים״ ממחיש באופן היסטורי את מה שלמעשה נובע מעצם ההגדרה או התחושה האינטואיטיבית המלווה את תופעת האינטליגנציה החיה, דהיינו שגילוייה הוא ביצירת סיגנל פיסיקלי שאין לו הסבר במסגרת הסיבתיות המקובלת. הפולסארים הפכו ל״ננסים ירוקים״ כאשר אזלו ההסברים לקיומם כתופעה פיסיקלית הפועלת לפי סיבתיות המוכתבת ע״י תהליכים אסטרונומיים ידועים. הפולסארים חדלו להיות ״ננסים ירוקים״ ברגע שאמנם נמצא הסבר שחזר והפך אותם מגילויים של מה שמכונה על-פני כדור הארץ עולם הרוח, דהיינו מביטויים של אינטליגנציה ורצון, לגילויים מובהקים של עולם החומר הגשמי.

הדיונים באח״א מתנהלים בשנים האחרונות במטרה לבסס ולעודד ניסיונות לקליטה של שידורים מאינטליגנציות זרות בגלאכסיה. חישוב המספר N נעשה על מנת להראות כי יש טעם בעריכת ניסיונות כאלה וכי יש סיכוי לקלוט אותות מכוונים מהעולם החיצוני. אותות הנקלטים מהחלל החיצון יוכלו להיות מזוהים בשידורי אינטליגנציה זרה רק אם יוברר למעלה מכל ספק שאינם נוצרים בתהליכים ספונטניים ושהפקתם אינה כפופה לסיבתיות הפיסיקלית השולטת בגלאכסיה. במילים אחרות, אותות אינטליגנציה חיצונית, לפי הגדרתם ולפי עצם המתודה שבה יסוננו ויובחנו מאותות אחרים, הם אלה אשר אין להם הסבר בחוקי הטבע. זהו פראדוכס בו ניתקל הטיפול התאורטי בתופעות האינטליגנציה החוץ ארצית בנסותו להכנס למסגרת הדיון המדעי. מתוך אנליזה של חוקים אסטרונומיים, פיסיקליים וכימיים מנסה הוא לחזות תופעות שאין להן הסבר במסגרת חוקים אלה ולכן אין הן יכולות לנבוע מהם. על-מנת להוציא טעות אפשרית מליבו של הקורא יש להעיר שאין בכל האמור כאן משום שלילת אפשרות קיומן של אינטליגנציות חוץ-ארציות. אין בו גם משום הבעת ביקורת על כדאיות הניסיונות בחיפושים אחר אותות אינטליגנטיים מן החלל, או הערכה על הסיכוי להצלחתם. העמדה המבוטאת כאן הינה שאין לראות בחישובים ובהערכות השונות למספר האינטליגנציות הקיימות בגלאכסיה משום דיון מדעי לגיטימי. כולן מבוססות, לפחות בחלקן, על הנחות חוץ-מדעיות. ידיעתנו בשנת 1971 על קיומן או אי-קיומן של אינטליגנציות כאלה איננה שונה במהותה מידיעתנו לגבי שאלה זו לפני 30 שנה או אפילו לפני 2000 שנה. אם התקרבנו בשנים האחרונות לפתרון שאלת קיומן של אינטליגנציות חוץ-ארציות, הרי זה רק במובן זה שהטכנולוגיה של שנות השמונים מאפשרת שיטות חיפוש אחר אותות מאינטליגנציות כאלה, שלא היו אפשריות בדורות הקודמים. אולם, עד לקבלת תשובה חיובית ברורה וחד-משמעית מחיפושים אלה, תשאר שאלת בדידותנו ביקום בעינה, ולאו דווקא בצריך עיון אלא בצריך בדיקה.17

---

1. אסטרונומיה ואסטרופיסיקה: במאמר זה שני המונחים משמשים כמילים נרדפות. יש המשתמשים במונח אסטרונומיה לתאור הצד התצפיתי במדע גרמי השמיים, ובמונח אסטרופיסיקה לציון הצד התאורטי. ↩

2. קווי בליעה ספקטרליים: כאשר אור השמש או אורם של מרבית הכוכבים מופרדים לצבעיהם ע״י מנסרה (או סריג), בתמונה המתקבלת, לרוחב פס האור הנפרש ע״י המנסרה, מופיעים קווים כהים. אלה הם חוסרים בקרינת הכוכב בארכי-גל מסויימים, הנגרמים ע״י בליעה של קרינת הכוכב ע״י אטומים באטמוספירה שלו, ומכאן שמם. ↩

3. פאראלקסה: תזוזה זוויתית שנתית נראית של כוכב קרוב, על רקע כוכבים מרוחקים יותר, הנגרמת ע״י תנועת בדור הארץ סביב השמש. גודל זווית זאת פרופורציוני הפוך למרחק אל הכוכב. ↩

4. נוסחת דופלר וההיסט לאדום: כאשר למקור או לצופה יש מרכיב של מהירותם ההדדית בכיוון הקו המחברם, הצופה יראה את הקרינה בתדירות שונה מזו שבה היא נפלטה. אם הצופה והמקור מתקרבים זה לזה, תדירות האור הנקלט גדולה מתדירות הפליטה — האור נעשה כחול יותר. בצילומי ספקטרום של גלאכסיות נראה כי תדירות האור הנקלט נמוכה מתדירות הפליטה — האור מוסט לכיוון האדום. היבט זה מתפרש על סמך חוק דופלר כביטוי להתרחקותן של כל הגלאכסיות. ↩

5. שנת אור, יום אור: המרחק שאור עובר במשך שנה — בקירוב 10¹³ ק״מ. כיוצא בזה המרחק שאור עובר במשך יום — כ-30 מיליארד ק״מ. ↩

6. טמפרטורת האפס המוחלט: טמפרטורה של מערכת מבטאת אנרגיה תרמית בתוכה. הטמפרטורה המתאימה למצב של העדר כל אנרגיה פנימית היא טמפרטורת האפס המוחלט שערכה כ-273°-. אין במציאות טמפרטורה נמוכה מערך זה. ↩

7. גלאכסיות רדיו: גלאכסיות המהוות מקורות קרינה חזקים בתחום גלי הרדיו. קצב פליטת האנרגיה מגלאכסיות אלה גדול פי כמה מאות או אלפים מקצב פליטת האנרגיה מגלאכסיות רגילות. ↩