תמונה זו של NGC 5468, גלקסיה הממוקמת במרחק של כ-130 מיליון שנות אור מכדור הארץ, משלבת נתונים מטלסקופי החלל האבל וג'יימס ווב. זוהי הגלקסיה הרחוקה ביותר שבה האבל זיהה כוכבים משתנים של קפאיד. אלו הם סמני דרך חשובים למדידת קצב ההתפשטות של היקום. המרחק שחושב מקפאידים נמצא בקורלציה צולבת עם סופרנובה מסוג Ia בגלקסיה. סופרנובות מסוג Ia כה בהירות שהן משמשות למדידת מרחקים קוסמיים הרבה מעבר לטווח הקפאידים, ומרחיבות את המדידות של קצב ההתפשטות של היקום עמוק יותר לחלל. קרדיט: NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)
אי התאמה במדידה של קבוע האבל, המכונה מתח האבל, הייתה חידה משמעותית בקוסמולוגיה. ה טלסקופ החלל ג'יימס וובאישור של טלסקופ החלל האבלהנתונים של סולם המרחקים הקוסמי ביססו את הנתונים של סולם המרחקים הקוסמי דיוק והציע שהסתירה עשויה לרמוז על תופעות קוסמיות לא ידועות, מה שדורש חקירה נוספת.
הקצב שבו היקום מתרחב, המכונה קבוע האבל, הוא אחד הפרמטרים הבסיסיים להבנת האבולוציה והגורל הסופי של הקוסמוס. עם זאת, הבדל מתמשך, הנקרא מתח האבל, נראה בין ערכו של הקבוע הנמדד עם מגוון רחב של מחווני מרחק בלתי תלויים לבין ערכו החזוי מהזרימה שלאחר המפץ הגדול. טלסקופ החלל של נאס"א/ESA/CSA ג'יימס ווב אישר שהעין החדה של טלסקופ החלל האבל הייתה נכונה לאורך כל הדרך, ומחקה כל ספק מתמשך לגבי המדידות של האבל.
ההישגים ההיסטוריים של האבל
אחת ההצדקות המדעיות לבניית טלסקופ החלל האבל של נאס"א/ESA הייתה להשתמש בכוח התצפית שלו כדי לספק ערך מדויק לקצב ההתפשטות של היקום. לפני השיגור של האבל ב-1990, תצפיות מטלסקופים קרקעיים הניבו אי ודאות עצומות. בהתאם לערכים שנגזרו על קצב ההתפשטות, היקום יכול להיות בין 10 ל-20 מיליארד שנים. במהלך 34 השנים האחרונות האבל כיווץ את המדידה הזו לדיוק של פחות מאחוז אחד, תוך פיצול ההפרש עם ערך גיל של 13.8 מיליארד שנים. זה הושג על ידי חידוד מה שנקרא 'סולם המרחק הקוסמי' על ידי מדידת סמני עמודי מייל חשובים הידועים ככוכבים משתנים של קפאיד.
טיפול במתח האבל עם ווב
עם זאת, ערך האבל אינו מסכים עם מדידות אחרות המרמזות שהיקום התפשט מהר יותר לאחר המפץ הגדול. תצפיות אלו נעשו על ידי מיפוי של לוויין ESA Planck של קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל – תוכנית לאופן שבו היקום יתפתח מבנה לאחר שיתקרר מהמפץ הגדול.
הפתרון הפשוט לדילמה יהיה לומר שאולי התצפיות של האבל שגויות, כתוצאה מאי דיוק כלשהו שמתגנב למידותיה של אמות המידה של החלל העמוק. ואז הגיע טלסקופ החלל ג'יימס ווב, שאיפשר לאסטרונומים להצליב את התוצאות של האבל. השקפות האינפרה-אדום של ווב על קפאידים תאמו את נתוני האור האופטי של האבל. ווב אישר שהעין החדה של טלסקופ האבל הייתה נכונה לאורך כל הדרך, ומחקה כל ספק מתמשך לגבי המדידות של האבל.
במרכז התמונות הללו זו לצד זו נמצאת מחלקה מיוחדת של כוכבים המשמשת כסמן למדידת קצב ההתפשטות של היקום – כוכב משתנה קפאיד. שתי התמונות מאוד מפוקסלות מכיוון שהן תצוגה מוגדלת מאוד של גלקסיה מרוחקת. כל אחד מהפיקסלים מייצג כוכב אחד או יותר. התמונה מטלסקופ החלל ג'יימס ווב חדה משמעותית באורכי גל כמעט אינפרא אדום מאשר האבל (שהוא בעיקר טלסקופ אור אולטרה סגול). על ידי הפחתת העומס עם החזון החזק של ווב, הקפאיד בולט בצורה ברורה יותר, ומבטל כל בלבול פוטנציאלי. ווב שימש כדי להסתכל על מדגם של קפאידים ואישר את הדיוק של תצפיות האבל הקודמות שהן בסיסיות למדידה מדויקת של קצב ההתפשטות והגיל של היקום. קרדיט: NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)
תעלומות קוסמיות ואתגרים תיאורטיים
השורה התחתונה היא שמה שנקרא מתח האבל בין מה שקורה ביקום הסמוך בהשוואה להתפשטות היקום המוקדם נותר חידה מטרידה עבור קוסמולוגים. יכול להיות שיש משהו שזור במרקם החלל שעדיין לא הבנו.
האם פתרון הפער הזה דורש פיזיקה חדשה? או שמא היא תוצאה של טעויות מדידה בין שתי השיטות השונות המשמשות לקביעת קצב התפשטות החלל?
האבל ו-Webb התחברו כעת כדי לייצר מדידות סופיות, מה שמקדם את המקרה שמשהו אחר – לא שגיאות מדידה – משפיע על קצב ההתרחבות.
התקדמות בתצפיות קוסמיות
"עם שגיאות מדידה מבוטלות, מה שנותר הוא האפשרות האמיתית והמרגשת שהבנו לא נכון את היקום", אמר אדם ריס, פיזיקאי מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס בבולטימור. אדם מחזיק בפרס נובל על גילוי משותף של העובדה שהתפשטות היקום מואצת, עקב תופעה מסתורית הנקראת כיום 'אנרגיה אפלה'.
כבדיקה צולבת, תצפית ראשונית של Webb בשנת 2023 אישרה כי המדידות של האבל את היקום המתרחב היו מדויקות. עם זאת, בתקווה להפיג את מתח האבל, כמה מדענים שיערו שטעויות בלתי נראות במדידה עשויות לגדול ולהיות גלויות ככל שאנו מסתכלים עמוק יותר לתוך היקום. בפרט, צפיפות כוכבים יכולה להשפיע על מדידות בהירות של כוכבים רחוקים יותר בצורה שיטתית.
אימות שיתופי וכיוונים עתידיים
צוות SH0ES (סופרנובה H0 למשוואת מצב האנרגיה האפלה), בראשותו של אדם, השיג תצפיות נוספות עם Webb של עצמים שהם סמני מייל קוסמיים קריטיים, הידועים ככוכבים משתנים Cepheid, אשר כעת ניתן לתאם עם נתוני האבל.
"התפרשנו כעת על כל הטווח של מה שהאבל צפה, ואנחנו יכולים לשלול שגיאת מדידה כגורם למתח האבל בביטחון גבוה מאוד", אמר אדם.
התצפיות הראשונות של צוות ווב בשנת 2023 הצליחו להראות כי האבל נמצא בדרך הנכונה בביסוס נאמנות של השלבים הראשונים של מה שנקרא סולם המרחק הקוסמי.
איור זה מציג את שלושת השלבים הבסיסיים שבהם משתמשים אסטרונומים כדי לחשב כמה מהר היקום מתפשט לאורך זמן, ערך הנקרא קבוע האבל. כל השלבים כוללים בניית "סולם מרחקים קוסמי" חזק, על ידי התחלה במדידת מרחקים מדויקים לגלקסיות סמוכות ולאחר מכן מעבר לגלקסיות רחוקות יותר ויותר. "סולם" זה הוא סדרה של מדידות של סוגים שונים של עצמים אסטרונומיים עם בהירות מהותית שחוקרים יכולים להשתמש בהם כדי לחשב מרחקים. בין האמינים ביותר למרחקים קצרים יותר הם משתני קפאיד, כוכבים הפועמים בקצבים צפויים המעידים על הבהירות הפנימית שלהם. אסטרונומים השתמשו לאחרונה בטלסקופ החלל האבל כדי לצפות ב-70 משתני קפאיד בענן המגלן הגדול הסמוך כדי לבצע את מדידת המרחק המדויקת ביותר לאותה גלקסיה. אסטרונומים משווים את המדידות של קפאידים סמוכים לאלו בגלקסיות רחוקות יותר, הכוללות גם מדד קוסמי נוסף, כוכבים מתפוצצים הנקראים סופרנובות מסוג Ia. סופרנובות אלו בהירות הרבה יותר ממשתני קפאיד. אסטרונומים משתמשים בהם כ"סממני דרך" כדי לאמוד את המרחק מכדור הארץ לגלקסיות רחוקות. כל אחד מהסמנים הללו מתבסס על השלב הקודם ב"סולם". על ידי הרחבת הסולם באמצעות סוגים שונים של סמני דרך אמינים, אסטרונומים יכולים להגיע למרחקים גדולים מאוד ביקום. אסטרונומים משווים את ערכי המרחק הללו למדידות של אור של גלקסיה שלמה, שמאדים יותר ויותר עם המרחק, עקב התרחבות אחידה של החלל. לאחר מכן, אסטרונומים יכולים לחשב כמה מהר הקוסמוס מתרחב: קבוע האבל. קרדיטים: נאס"א, ESA ו-A. Feild (STScI)
נבכי סולם המרחקים הקוסמי
אסטרונומים משתמשים בשיטות שונות למדידת מרחקים יחסיים ביקום, בהתאם לעצם הנצפה. ביחד טכניקות אלו ידועות בתור סולם המרחק הקוסמי – כל שלב או טכניקת מדידה מסתמכים על השלב הקודם לכיול.
אבל כמה אסטרונומים הציעו כי בתנועה החוצה לאורך 'השלב השני', סולם המרחקים הקוסמי עלול להתערער אם מדידות הקפאיד יהפכו פחות מדויקות עם המרחק. אי דיוקים כאלה עלולים להתרחש מכיוון שאורו של קפאיד יכול להתמזג עם זה של כוכב סמוך – אפקט שעלול להיות בולט יותר עם המרחק כאשר כוכבים מצטופפים בשמים וקשה יותר להבחין ביניהם.
האתגר התצפיתי הוא שתמונות האבל בעבר של משתני קפאיד רחוקים יותר נראות מצטופפות וחופפות יותר לכוכבים שכנים במרחקים גדולים יותר ויותר בינינו לבין הגלקסיות המארחות שלהם, מה שמצריך התחשבות זהירה בהשפעה זו. אבק מתערב מסבך עוד יותר את הוודאות של המדידות באור הנראה. ווב חותך את האבק ומבודד באופן טבעי את הקפאידים מכוכבים שכנים מכיוון שראייתו חדה מזו של האבל באורכי גל אינפרא אדום.
"השילוב של ווב והאבל נותן לנו את הטוב משני העולמות. אנו מגלים שמדידות האבל נשארות אמינות ככל שאנו מטפסים רחוק יותר לאורך סולם המרחקים הקוסמי", אמר אדם.
התצפיות החדשות של Webb כוללות חמש גלקסיות מארחות של שמונה סופרנובות מסוג Ia המכילות בסך הכל 1000 קפאידים, ומגיעות לגלקסיה הרחוקה ביותר שבה נמדדו היטב קפאידים – NGC 5468, במרחק של 130 מיליון שנות אור. "זה משתרע על כל הטווח שבו ביצענו מדידות עם האבל. אז, הלכנו לסוף המדרגה השנייה של סולם המרחק הקוסמי", אמר מחבר שותף גאגנדיפ אנאנד ממכון מדעי טלסקופ החלל בבולטימור, המפעיל את טלסקופי ווב והאבל עבור נאס"א.
יחד, האישור של האבל ו-ווב על מתח האבל מקים מצפה כוכבים אחרים כדי אולי ליישב את התעלומה, כולל טלסקופ החלל הרומי ננסי גרייס של נאס"א הקרוב של נאס"א ומשימת אוקלידס שהושקה לאחרונה של ESA.
נכון לעכשיו זה כאילו סולם המרחק שנצפה על ידי האבל ו-ווב קבע נקודת עיגון על קו חוף אחד של נהר, והזוהר של המפץ הגדול שנצפה על ידי פלאנק מתחילת היקום ממוקם בחוזקה בצד השני. כיצד השתנתה התפשטות היקום במיליארדי השנים בין שתי נקודות הקצה הללו טרם נצפה ישירות. "אנחנו צריכים לברר אם חסר לנו משהו כיצד לחבר את תחילת היקום והיום", אמר אדם.
ממצאים אלה פורסמו בגיליון 6 בפברואר 2024 של ה מכתבי יומן אסטרופיזיים.
