הפרדוקס של גיל היקום

הפרדוקס של גיל היקום הוא סתירה שהייתה קיימת במשך זמן מסוים בשנות ה-90 של המאה ה-20 בין שתיים מהתאוריות המקובלות ביותר בקוסמולוגיה המודרנית: המפץ הגדול המסביר את התפשטות היקום מחד, והתאוריות בדבר מנגנוני הפעולה של כוכבים מאידך. לפי נתונים שנאספו בראשית שנות ה-90 של המאה ה-20 נראה היה שישנם ביקום כוכבים שגילם עולה על גילו של היקום עצמו - דבר בלתי אפשרי. עד סוף אותו עשור נערכו מדידות נוספות, שמהן עלה כי היקום זקן משחשבו, ואילו הכוכבים צעירים משחשבו. מדידות אלה מיישבות את הפרדוקס. מדידת מרחקים על-פני כדור הארץ, נעשית בעזרת מדידה פיזית, תוך השוואה למכשירי מדידה שאורכם ידוע, ובסופו של דבר למטר. בחלל אפשרות זו אינה קיימת: אין דרך ישירה למדידת מרחק לגלקסיה אחרת. לכן, יש צורך בסולמות מדידה שונים. לצורך הערכת מרחקים בחלל, אסטרונומים נעזרים בכמה סולמות מדידה, המכוילים זה ביחס לזה. הסולם הראשון מבוסס על היסט (פרלקסה): השוואת מקומו של כוכב על רקע גלקסיות מרוחקות, בשתי מדידות הנערכות בהפרש של שישה חודשים. בתקופה זו נושא כדור הארץ עמו את מצפה הכוכבים מהלך 300 מיליון קילומטר (קוטר המסלול סביב השמש). חישוב טריגונומטרי מספק, בדיוק רב למדי, את מרחקו של הכוכב הנצפה מאיתנו. (חישוב זה תלוי בידיעת המרחק מכדור הארץ לשמש, שאותו אפשר לראות כ"סולם האפס" בסדרת הסולמות). חסרונה של שיטת הפרלקסה הוא שהיא מוגבלת לכוכבים קרובים יחסית (עד כ-250 פארסק, כ-750 שנות אור). בהמשך הסדרה מופיע הסולם של המשתנים הקפאידיים. אלו הם כוכבים משתנים, שמנגנון הפעולה שלהם מובן היטב, עד שהם מכונים "נרות סטנדרטיים". ידוע לנו, למשל, הקשר בין הבהירות האמיתית של כוכב כזה (עוצמת התאורה שלו) לבין קצב השינוי בעוצמת ההארה. את קצב השינוי אפשר למדוד בדייקנות רבה, והבהירות האמיתית קושרת כמובן את הבהירות הנראית מכדור הארץ, למרחקו של הכוכב מאיתנו. ישנם משתנים קפאידיים קרובים מספיק, שאת המרחק שלהם אפשר לחשב בשיטת ההיסט, וכך יכולים האסטרונומים לקשור את שני סולמות המדידה, ולקבל הערכה סבירה למרחקו של כוכב משתנה כזה. ערך מורחב – גיל היקום כדי לחשב את גיל היקום, משווים אסטרונומים מדידות משני סוגים: מהירות ההתרחקות של הגלקסיות משביל החלב, נתון שאותו אפשר למדוד בדיוק רב באמצעות אפקט דופלר, והמרחק מאותן גלקסיות, שאותו קשה יותר להעריך. היחס הממוצע בין שני הנתונים הוא קבוע האבל. כאשר מציבים את הקבוע הזה במשוואות היסודיות של תאוריית המפץ הגדול (כגון משוואות פרידמן), מתקבלת הערכה לגיל היקום. ההערכה שלנו לגיל היקום תלויה, אם כן, בהערכת המרחק מגלקסיות מרוחקות - ועם זאת, גם מידות הדיוק שבשתי ההערכות תלויות זו בזו. עד תחילת שנות התשעים היה קבוע האבל מוערך ב-50-100 קילומטרים לשנייה למיליון פארסק; ערכים אלה מתאימים ליקום שגילו בין 10 ל-20 מיליארד שנה. במהלך שנת 1994 התגלו, בסיועו של טלסקופ החלל האבל, משתנים קפאידיים בגלקסיה הספירלית M100. גלקסיה זו, שהתגלתה בשנת 1781, מצויה בצביר הבתולה, בצפון הגלקטי של צביר-על הבתולה. בעבר העריכו שמרחקה מאיתנו מעל 60 מיליון שנות אור, אך בעקבות מדידות חדשות שונתה ההערכה ל-55.6 מיליון שנות אור בלבד. שינוי זה בקנה המידה הגלקטי גרם להתכווצות של היקום, ואיתה להורדת גילו עד ל-8 מיליארד שנים. מן העבר השני ניצבות התאוריות המקובלות על אבולוציה של כוכבים: מנגנוני הפעולה התרמו-גרעיניים שלהם, והזמן העובר עד שהם שורפים את הדלק הגרעיני ועוברים משלב לשלב. לפי תאוריות אלה, ישנם ביקום כוכבים שגילם מוערך ב-15-12 מיליארד שנה, בסתירה לאפשרות שהיקום עדיין לא הגיע לגיל מופלג זה. כותרת בעמוד השער של ה"טיים", ב-6 במרץ 1995, בישרה ש"הקוסמולוגיה בתוהו ובוהו". הממצאים הביאו אסטרונומים ופיזיקאים לבחון את התאוריות השונות המעורבות בסתירה: המפץ הגדול, מנגנוני הבעירה של הכוכבים, ואפילו המודל הסטנדרטי העומד ביסוד התאוריה האחרונה. ברקע עמדה כל העת האפשרות שהמדידות אינן מדויקות דיין, והמדענים קיוו שמדידות מדויקות יותר ישפכו אור על התעלומה. אכן, מנתוני האבל לא ניתן היה לחשב את גיל היקום בדיוק העולה על 10-20 אחוזים. בשנת 1997 אסף לוויין המחקר היפארכוס (Hipparcos) נתונים חדשים, שהביאו להגדלת המרחק המוערך של צבירים כדוריים ב-5 עד 10 אחוז, וכפועל יוצא מכך ירדה הערכת הגיל שלהם לטווח של 12–13 מיליארד שנים. במקביל, אסף היפרכוס נתונים גם על כוכבים בעננות הכדוריות הסמוכות לשביל החלב. עכשיו מוערך גילם של כוכבים אלה, שהם מהעתיקים הידועים לנו, ב-12-9 מיליארד שנים - פחות מגילו המעודכן של היקום. מאוחר יותר, ב-2004, נבנתה מפה מפורטת של קרינת הרקע של המפץ הגדול, והיום מוערך גיל היקום ב-13.819 מיליארד שנה. הכוכבים הראשונים נולדו כשהיקום היה בן 200 מיליון שנה, והם צעירים ממנו. כך נפתר הפרדוקס. Stars older than universe?‎ באתר TalkOrigins Archive ד"ר מאיר מידב, ד"ר נח ברוש, פרופ' חגי נצר - היקום, יסודות האסטרופיזיקה. הוצאת האוניברסיטה הפתוחה (2000) Gregory Bothun: Hubble Space Telescope Distance Estimates to Virgo, University of OregonDepartment of Physics, Modern Cosmological Observations And Problems