"מתח האבל", אי התאמה בקצב ההתפשטות של היקום, נבדק באמצעות המאמצים המשולבים של טלסקופי החלל האבל וג'יימס ווב, חושף אי דיוקים פוטנציאליים במדידות קוסמיות ורמז על תופעות פיזיקליות חדשות. קרדיט: twoday.co.il.com
מדידות Webb שופכות אור חדש על תעלומה של עשור
אחת משלושת ההצדקות המדעיות לקונגרס האמריקאי לבניית טלסקופ החלל האבל היה להשתמש בכוח התצפית שלו כדי לתת ערך מדויק לקצב ההתפשטות של היקום. לפני השיגור של האבל ב-1990, תצפיות מטלסקופים קרקעיים הניבו אי ודאות עצומות. בהתאם לקצב ההתפשטות, היקום יכול להיות בן 10 עד 20 מיליארד שנים בכל מקום. במשך 34 השנים האחרונות, האבל כיווץ את הערך הזה ל- דיוק מתקרב לאחוז אחד. זה הושג על ידי חידוד מה שנקרא "סולם המרחק הקוסמי" על ידי מדידת תקן הזהב של סמני עמודי מייל קוסמיים הידועים ככוכבים משתנים Cepheid.
עם זאת, התוצאות תמהו קוסמולוגים במשך עשור. המדידות הטובות ביותר של האבל מראות שהיקום מתרחב כעת מהר יותר מהצפוי בהתבסס על תצפיות כיצד הוא נראה זמן קצר לאחר המפץ הגדול. התצפיות הללו נעשו על ידי מיפוי הלוויין של פלאנק של קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל – מעין שרטוט לאופן שבו היקום יתפתח מבנה לאחר שיתקרר מהמפץ הגדול.
הפתרון הפשוט לדילמה הוא לומר שאולי תצפיות האבל שגויות בגלל חוסר דיוק זוחל כלשהו בקנה המידה שלו בחלל העמוק. ואז הגיע ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב כדי להצליב את התוצאות של האבל. השקפות האינפרא אדום החדות של ווב על קפאידים הסכימו עם נתוני האבל. ווב אישר שהעין החדה של טלסקופ האבל הייתה נכונה לאורך כל הדרך.
השורה התחתונה היא שמה שנקרא "מתח האבל" בין מה שקורה ביקום הסמוך בהשוואה להתפשטות היקום המוקדם נותר חידה מרתקת עבור קוסמולוגים. יכול להיות שיש משהו שזור במרקם החלל שעדיין לא הבנו.
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)
Webb של נאס"א, טלסקופי האבל מאשרים את קצב ההתפשטות של היקום, החידה נמשכת
כאשר אתם מנסים לפתור את אחת מהחידות הגדולות ביותר בקוסמולוגיה, עליכם לבדוק פי שלושה את שיעורי הבית שלכם. הפאזל, המכונה "מתח האבל", הוא שקצב ההתפשטות הנוכחי של היקום מהיר יותר ממה שהאסטרונומים מצפים שיהיה, בהתבסס על התנאים ההתחלתיים של היקום וההבנה הנוכחית שלנו לגבי התפתחות היקום.
מדענים המשתמשים בטלסקופ החלל האבל של נאס"א ובטלסקופים רבים אחרים מוצאים בעקביות מספר שאינו תואם תחזיות על סמך תצפיות של ESA (סוכנות החלל האירופיתמשימת פלאנק. האם פתרון הפער הזה דורש פיזיקה חדשה? או שמא היא תוצאה של טעויות מדידה בין שתי השיטות השונות המשמשות לקביעת קצב התפשטות החלל?
האבל מודד את קצב ההתפשטות הנוכחי של היקום כבר 30 שנה, ואסטרונומים רוצים לבטל כל ספק מתמשך לגבי דיוקו. כעת, האבל וטלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א חברו יחד כדי לייצר מדידות סופיות, מה שמקדם את המקרה שמשהו אחר – לא שגיאות מדידה – משפיע על קצב ההתרחבות.
"עם שגיאות מדידה מבוטלות, מה שנותר הוא האפשרות האמיתית והמרגשת שלא הבנו את היקום", אמר אדם ריס, פיזיקאי מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס בבולטימור. רייס מחזיקה בפרס נובל על גילוי שיתוף בעובדה שהתפשטות היקום מואצת, עקב תופעה מסתורית הנקראת כיום "אנרגיה אפלה".
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)
כבדיקה צולבת, תצפית ראשונית של Webb בשנת 2023 אישרה כי מדידות האבל של 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.
צוות SH0ES (סופרנובה H0 למשוואת מצב האנרגיה האפלה), בראשותו של ריס, השיג תצפיות נוספות עם ווב על עצמים שהם סמני מייל קוסמיים קריטיים, הידועים ככוכבים משתנים Cepheid, אשר כעת ניתן לתאם עם נתוני האבל.
"עברנו כעת את כל הטווח של מה שהאבל צפה, ואנחנו יכולים לשלול שגיאת מדידה כגורם למתח האבל בביטחון גבוה מאוד", אמר ריס.
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. (ראה גרפיקה למטה.)
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 ואז 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 ערכי מרחק אלה 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)
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, לנוע החוצה לאורך "השלב השני", סולם המרחקים הקוסמי עלול להתערער אם מדידות הקפאיד יהפכו פחות מדויקות עם המרחק. אי דיוקים כאלה עלולים להתרחש מכיוון שאור של קפאיד יכול להתמזג עם זה של כוכב סמוך – אפקט שעלול להיות בולט יותר עם המרחק כאשר כוכבים מצטופפים יחד וקשה יותר להבחין ביניהם.
האתגר התצפיתי הוא שתמונות האבל בעבר של משתני קפאיד רחוקים יותר נראות מצטופפות וחופפות יותר לכוכבים שכנים במרחקים רחוקים יותר בינינו לבין הגלקסיות המארחות שלהם, מה שמצריך התחשבות זהירה בהשפעה זו. אבק מתערב מסבך עוד יותר את הוודאות של המדידות באור הנראה. ווב פורס 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 ריס.
התצפיות החדשות של Webb כוללות חמש גלקסיות מארחות של שמונה סופרנובות מסוג Ia המכילות בסך הכל 1,000 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 לקצה המדרגה השנייה של סולם המרחק הקוסמי", אמר מחבר שותף גאגנדיפ אנאנד מהמכון למדע טלסקופ החלל בבולטימור, המפעיל את הטלסקופים ווב והאבל עבור נאס"א.
האישור הנוסף של האבל ווב למתח האבל מקים מצפה כוכבים אחרים כדי אולי ליישב את התעלומה. טלסקופ החלל הרומאי ננסי גרייס הקרוב של נאס"א יבצע סקרים שמימיים רחבים כדי לחקור את השפעת האנרגיה האפלה, האנרגיה המסתורית שגורמת להאצת התפשטות היקום. מצפה הכוכבים אוקלידס של ESA, עם תרומות של נאס"א, ממשיך במשימה דומה.
נכון לעכשיו זה כאילו סולם המרחק שנצפה על ידי האבל ו-ווב קבע בחוזקה נקודת עיגון על קו חוף אחד של נהר, והזוהר שלאחר המפץ הגדול שנצפה על ידי מדידה של פלאנק מתחילת היקום נמצא בחוזקה בצד השני. . כיצד השתנתה התפשטות היקום במיליארדי השנים בין שתי נקודות הקצה הללו טרם נצפה ישירות. "אנחנו צריכים לגלות אם חסר לנו משהו כיצד לחבר את תחילת היקום והיום", אמר ריס.
ממצאים אלה פורסמו בגיליון 6 בפברואר 2024 של ה מכתבי יומן אסטרופיזיים.
טלסקופ החלל האבל פועל כבר למעלה משלושה עשורים וממשיך לגלות תגליות פורצות דרך שמעצבות את ההבנה הבסיסית שלנו על היקום. האבל הוא פרויקט של שיתוף פעולה בינלאומי בין נאס"א ו-ESA. מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד, מנהל את הטלסקופ. גודארד גם מבצע פעולות משימה עם לוקהיד מרטין ספייס בדנבר, קולורדו. המכון למדע טלסקופ החלל (STScI) בבולטימור, מרילנד, עורך פעולות מדעיות של האבל ו-ווב עבור נאס"א.
טלסקופ החלל ג'יימס ווב הוא מצפה הכוכבים המוביל בעולם למדעי החלל. ווב פותר תעלומות במערכת השמש שלנו, מסתכל מעבר לעולמות רחוקים סביב כוכבים אחרים, וחוקר את המבנים והמקורות המסתוריים של היקום שלנו ומקומנו בו. Webb היא תוכנית בינלאומית בהובלת נאס"א עם שותפיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) וסוכנות החלל הקנדית.
