על התגלית של BICEP2 - אינפלצייה וגלים כבידתיים

אני רואה שהפקרתי את תפקידי כקוסמולוג האחראי... בתכנית של "החללית" (בה לצערי לא יכולתי להשתתף) היה אייטם על התגלית של BICEP2, שעליה כתב כאן אופק בירנהולץ. מטבע הדברים האייטם היה קצר ולא יכל להקיף את הכל, אז אנסה להרחיב ולהבהיר כאן את הדברים, ובאותה הזדמנות אוסיף כמה תובנות שהגעתי אליהן בעקבות הרצאה שהעביר אצלנו פרופ' מרק קמיונקובסקי, שהיה מצוות החוקרים הראשון שחקר את האפשרות (התיאורטית, דאז) שהאינפלציה יכולה לגרום לקיטוב בקרינת הרקע הקוסמית. אחזור על חלק מהדברים שנאמרו בתכנית לטובת אלו שלא ראו אותה ורק קוראים את הפוסט הזה. אני מתנצל מראש - זו הולכת להיות רשומה ארוכה, אבל היא מסבירה לא מעט דברים, אז אני מקווה שזה מתאזן.

נתחיל עם קרינת הרקע הקוסמית: בראשית, היקום היה צפוף מאוד. מאוד מאוד. כמה צפוף? כל כך צפוף שאפילו קרינה אלקטרומגנטית (כמו אור) לא יכלה לעבור, ונבלעה בתווך שמסביב. אבל היקום החל להתרחב, ולכן נעשה דליל יותר, ובסופו של דבר הקרינה תצליח לחמוק מבעד לחומר ולהתחיל את הטיול הגדול שלה ביקום. הקרינה הזו, שיצאה מכל מקום ביקום פחות או יותר בו זמנית, היא קרינת הרקע הקוסמית. בניגוד למה שנאמר בתכנית, היא השתחררה כ400,000 שנה לאחר המפץ הגדול, ולא שברירי שניה. את קרינת הרקע הקוסמית גילו במקרה לפני 50 שנה, ומאז היא משמשת אותנו לחקור את היקום, הרבה מעבר למה ששיערו אלו שגילו אותה.
הסיבה לכך שהיא כל כך שימושית היא שבעוד שהיא השתחררה רק כ400,000 שנה לאחר המפץ הגדול, ההתפלגות שלה ופרמטרים נוספים מושפעים מדברים שקרו קודם. כאשר מסתכלים על קרינת הרקע הקוסמית היא נראית אחידה לחלוטין מכל כיוון. כל כך אחידה, שהיה צריך לפתח מכשירים שיהיו מסוגלים למדוד אותה ברמת דיוק של אחד חלקי מאה אלף מהטמפרטורה של הקרינה הזו כדי להבחין בשוני בין אזורים שונים בשמיים! הלוויין הראשון שעשה את זה היה COBE, ומאז המדידות רק השתפרו, והן הראו שהקרינה לא השתחררה *בדיוק* אותו דבר מכל מקום, אלא שהיו אזורים בהם השתחררה יותר קרינה ואיזורים בהם השתחררה פחות. זה נובע מכך שאזורים מסויימים היו צפופים יותר ואזורים מסויימים צפופים פחות (אם כי בהבדלים מאוד מאוד קטנים). ההשערה הייתה שההבדלים בין האזורים הצפופים לדלילים נבעו מתנודות קוונטיות זעירות בתקופה מאוד מאוד מוקדמת של היקום. אולם מדוע תנודות זעירות שכאלה כשהיקום היה בגיל של שברירי שנייה משפיעות על הצפיפות שלו כמעט 400,000 שנה אחרי? כאן נכנסת האינפלציה.

האינפלציה הקוסמית היא תאורייה שנוגעת להתפשטות היקום ושפותרת בצורה פשוטה מספר בעיות שעולות מהמידע שאנו מקבלים מתצפיות (אסביר כאן רק אחת, אחרת נהיה כאן כל הלילה). אנו יודעים שהיקום מתפשט מאז שאדווין האבל פרסם את העובדה שככל שגלקסיות רחוקות יותר, הן מתרחקות מאיתנו במהירות גדולה יותר. אולם התפשטות היקום, בשילוב עם קרינת הרקע הקוסמית, יוצרות בעיה הידועה כ"בעיית האופק". בצורה פשוטה, בעיית האופק אומרת שאין סיבה ששני איזורים רחוקים ביקום (לצורך העניין, אזורים שאנו רואים בשני קצוות של השמיים) יהיו באותה טמפרטורה, מכיוון שלמידע לא היה זמן לעבור בין השניים ולתאם ביניהם עמדות, ולכן העובדה שקרינת הרקע הקוסמית שמגיעה מכל הכיוונים היא בדיוק באותה טמפרטורה לא ברורה. האינפלציה היא תאוריה שטוענת שמוקדם מאוד בתחילת היקום, בין 36-^10 ל32-^10 שניות מהמפץ הגדול (שזה זמן קצר כל כך שקשה מאוד לתפוס את זה), היקום התרחב במהירות עצומה, הרבה יותר גדולה ממה שאנו רואים כיום - בזמן הקצרצר הזה האופק הקוסמולוגי התרחב ביותר מ-30 סדרי גודל! זה אומר שהיקום היה הרבה יותר קטן וצפוף בזמן המוקדם הזה ממה שחשבנו ואז התנפח מהר. במצב כזה, איזורים שנראים לנו היום רחוקים ולא קשורים התחילו למעשה קרובים מספיק בשביל שהטמפרטורה שלהם תשתווה.

"רגע, אבל הבטחת לנו תנודות קוונטיות!" אני שומע אתכם אומרים. נכון, וכאן בדיוק הן נכנסות. תנודות קוונטיות הן, בהגדרה, תנודות מאוד מאוד קטנות, ובמצב רגיל יהיו זניחות ביחס להבדלים בין אזורים שונים ביקום. בנוסף, מכיוון שהתנודות האלה פועלות בצורה מקרית, הן לרוב נוהגות לבטל את את השנייה. אבל המהירות העצומה בה היקום התרחב בזמן האינפלציה החליקה את ההבדלים בין איזורים שונים, בדומה למפה מקומטת שמותחים אותה; מצד שני, תנודות קוונטיות בגלים כבידתיים נמתחו והפכו להיות תנודות בסקלות קוסמולוגיות (להסבר על הגלים הכבידתיים אפנה אתכם לרשומה של אופק מלפני כשבוע). לאחר שהסתיימה האינפלציה הגלים הכבידתיים האלה יצרו אזורים צפופים יותר ופחות בכל היקום, שהיו מספיק גדולים כדי שתנודות קוונטיות כבר לא יוכלו להעלים אותם. לאחר שהסתיימה האינפלציה, האזורים הצפופים יותר החלו למשוך אליהם חומר ולהפוך יותר ויותר צפופים, כך שכשהגיע השלב בו קרינת הרקע הקוסמית השתחררה, כבר הייתה במקום מפת הצפיפות אותה ראו COBE ושאר הלוויינים שמדדו אותה.
אולם בזה לא הסתיים תפקידה של האינפלציה. קבוצת החוקרים שפרופ' קמיונקובסקי היה חלק ממנה העלתה את ההשערה שהגלים הכבידתיים שיצרו את שדה הצפיפות שממנו נפלטה קרינת הרקע הקוסמית יגרמו גם לקיטוב ספציפי בקרינה הנפלטת; הקיטוב הזה הוא מה שנמדד בBICEP2, ולכן ההתרגשות הגדולה - המדידה מהווה אישוש מאוד רציני לתאוריית האינפלציה.