אינפלציה קוסמית

אינפלציה קוסמית היא תאוריה המתארת תהליך פיזיקלי שהתרחש ביקום הקדום, שבריר זמן לאחר תחילת המפץ הגדול. לפי הגרסה שהגה האסטרונום אלן גות ב-1980 האינפלציה התרחשה בפרק הזמן שבין 10-35 ל-10-32 שניות לאחר המפץ הגדול. בפרק זמן זה עבר היקום תהליך של התנפחות בהאצה מעריכית, והגדילה את נפח היקום הנראה מגודל זעיר עד לגודל של גלקסיה בינונית. ייתכן ותהליך זה לא דעך כאותו אופן שאנחנו רואים בכל מקום, כך שהיקום שאנחנו רואים הוא אך פיסה קטנטנה של היקום המלא.

מודל היקום האינפלציוני (בעברית גם "מודל היקום התופח") פותח על מנת לפתור כמה בעיות שמודל "המפץ הגדול" לבד לא יכול היה להסביר כמו: הומוגניות היקום (כלומר מדוע היקום נראה אחיד מכל נקודת תצפית) והאיזוטרופיות שלו (כלומר מדוע היקום נראה אחיד בכל כיוון).

המודל יכול להסביר מדוע גודלו של פרמטר הצפיפות שווה ל-1, כפי שנמדד.

 מבוא 

התאוריה הוצעה על ידי הפיזיקאי אלן גות בשנת 1979, תוך בחינת הבעיה מדוע לא נראים כיום מונופולים מגנטיים. הוא מצא שאם היקום מכיל שדה במצב "ריק קוונטי" חיובי-אנרגטי, הרי שעל פי תורת היחסות הכללית הוא זה הגורם להתרחבות מעריכית של המרחב. מהר מאוד הבינו כי הרחבה כזו תפתור בעיות רבות אחרות שנותרו ללא מענה לאורך שנים. בעיות אלה נובעות מהצורך למצוא התאמה בין התצפית ביקום כפי שהוא נראה כיום, לבין התנאים ראשוניים שבהם היה היקום כאשר החל להתהוות, או תנאים "מיוחדים" שהתקיימו מיד בתחילת המפץ הגדול. תאוריית האינפלציה פותרת במידה רבה גם את הבעיות הללו, ובכך הופכת את היקום שלנו לסביר הרבה יותר בהקשר של תורת המפץ הגדול.

טרם התגלה שדה פיזיקלי שאחראי לאינפלציה זו. עם זאת כבר עתה ניתן לקבוע ששדה זה יהיה שדה סקלרי. השדה הסקלרי היחסי הראשון שקיימו הוכח היה - שדה היגס. שדה היגס התגלה רק בשנים 2012–2013 ונמצא עדיין במחקר. כך שהמצב בו השדה האחראי לאינפלציה הקוסמית וההתרחבות המטרית טרם התגלה הוא סביר. השדה המוצע עם המערכת הקוונטית הצמודה לו (החלקיקים התת-אטומיים שקשורים אליו) זכו לכינוי ה"אינפלטון". אם תחום זה אינו קיים, יצטרכו המדענים להציע הסבר אחר לכל התצפיות המצביעות על כך שההתרחבות המטרית של החלל מוסיפה להתקיים גם כיום, אך לאט הרבה יותר מאשר בזמן האינפלציה הקוסמית.

 התאוריה 

ליקום מתרחב יש בדרך כלל אופק קוסמולוגי, אשר באנלוגיה לאופק המוכר יותר מהארץ, הנגרם בגלל עקמומיות פני השטח של כדור הארץ. האופק הקוסמולוגי מסמן את הגבול בין חלק מהיקום שאותו יכול המתבונן לראות לבין החלק שלא ניתן לראותו. אור (או קרינה אחרת) הנפלטים על ידי גופים שמעבר לאופק הקוסמולוגי ביקום המאיץ לעולם לא יגיע לצופה, מכיוון שהמרחב שבין המתבונן לאובייקט מתרחב במהירות רבה מדי.

היקום הנצפה הוא קטע אחד של יקום לצד חלק אחר גדול הרבה יותר, שאינו ניתן לצפייה. החלקים האחרים של היקום, שמחוץ לאופק הקוסמולוגי, עדיין לא יכולים לתקשר עם כדור הארץ. במודל המפץ הגדול החם, ללא אינפלציה, האופק הקוסמולוגי גדל ומתפשט כך שבמהלך הזמן אזורים חדשים ניתנים לתצפית. עם זאת, כאשר צופה מקומי רואה אזור כזה לראשונה, הוא לא נראה שונה מכל אזור אחר בחלל שהצופה המקומי כבר ראה. קרינת הרקע הקוסמית שלו נמצאת כמעט באותה הטמפרטורה כמו קרינת הרקע של אזורים אחרים, עקמומיות בחלל-זמן מתפתחת באותו הקצב שבהם היא מתפתחת גם באזורים האחרים. מודל זה מציג תעלומה: כיצד יודעים האזורים החדשים האלה איזו טמפרטורה ואיזו עקמומיות היו אמורים להיות להם? הם לא יכלו ללמוד זאת על ידי קבלת איתותים, מכיוון שהם לא היו בעבר בתקשורת עם חרוט האור של העבר שלנו.Using Tiny Particles To Answer Giant Questions. Science Friday, 3 April 2009.

האינפלציה הקוסמולוגית עונה על שאלה זו באמצעות ההנחה שכל האזורים מגיעים מעידן קדום יותר שהכיל אנרגיית ריק גדולה, או שהקבוע הקוסמולוגי שונה מאפס. מרחב שהקבוע הקוסמולוגי אינו אפס שונה מבחינה איכותית ממרחב החסר אותו: האופק הקוסמולוגי נשאר במצב יציב במקום לנוע החוצה. עבור כל אחד מהצופים במרחב, המרחק לאופק הקוסמולוגי נותר קבוע. עם המרחב המתרחב באופן אקספוננציאלי, שני משקיפים סמוכים נפרדים מהר מאוד; עד כדי כך שהמרחק ביניהם חורג במהירות מגבולות התקשורת ביניהם. פרוסות המרחב מתרחבות מהר ומכסות נפחים אדירים. כך שגופים נעים ללא הרף מעבר לאופק הקוסמולוגי שנמצא במרחק קבוע, והמרחב הופך להיות הומוגני.
כאשר השדה האינפלציוני נרגע לאט לאט, הקבוע הקוסמולוגי מתאפס והחלל מתחיל להתרחב בקצב רגיל. האזורים החדשים שמופעים בשלב ההתרחבות הרגיל הם בדיוק אותם אזורים שנדחקו מעבר לאופק במהלך האינפלציה, וכך הם נמצאים כמעט באותה טמפרטורה ובאותה בעקמומיות, מכיוון שהם מגיעים מאותו שטח שהיה קטן במקור .

תאוריית האינפלציה הקוסמולוגית מסבירה אפוא מדוע הטמפרטורות ועקמומיות המרחב באזורים כה שונים הן כל כך דומות. יתרה מזו הדבר מבהיר מדוע העקמומיות הכוללת של קטע מחלל בזמן גלובלי קבוע היא אפס. תחזית זו מרמזת כי צפיפות החומר הרגיל ביחד עם החומר האפל ואנרגיית הריק ביקום צריכים להשתוות בדיוק לצפיפות הקריטית. זו גם בדיוק הצפיפות הנצפית של היקום. מה שמפתיע יותר, האינפלציה הקוסמולוגית מאפשרת לפיזיקאים לחשב את ההבדלים הזעירים בטמפרטורה של אזורים שונים הנובעים מתנודות קוונטיות בזמן ההתפשטות האינפלציונית. רבות מהתחזיות הכמותיות הללו אושרו.

 ביסוס נסיוני 
אישוש לתאוריה זו הגיעו ב-2014, כאשר קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד ואחרות, הצליחה לזהות באמצעות הטלסקופ BICEP2 הממוקם ליד התחנה האנטארקטית אמונדסן-סקוט שבקוטב הדרומי שינויים קלים בקרינת הרקע הקוסמית, שמקורם בגלי הכבידה של התנפחות היקום. בתחילת 2014 פורסמו ממצאי המחקר של קובאץ על ידי מחלקת המחקר של האסטרופיזיקה באוניברסיטת הרווארד.
המאמר צבר פופולריות רבה ואף כונה "האקדח המעשן של האינפלציה".

בעקבות פרסום הממצאים התגלתה ביקורת בקרב קהילת המדע. במאי 2014 פרסם דייוויד ספרגל מאמר הטוען כי ייתכן שהאות של-BICEP2 זוהם על ידי האבק שמרחף בין הכוכבים בגלקסיה שלנו. המאמר שלו הסביר שהשדות המגנטיים של שביל החלב מניעים את האבק הגלקטי בדפוסי פיתול. אור הכוכבים חוזר מהאבק הזה בצורת זוהר מתפתל קלוש. חלק מהפוטונים של הזוהר הזה היו עלולים להתגנב לתמונה ולהתערבב עם הזוהר של המפץ הגדול בלי שהצוות ישים לב.
בפברואר 2015 הודה צוות המחקר שקיימים פערים אלו.

ראו גם 
 המפץ הגדול
 באריוגנזה

קישורים חיצוניים




  רן לוי, המפץ הגדול , בפודקאסט "עושים היסטוריה", 2018


 הערות שוליים 

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:קוסמוגוניה
קטגוריה:אסטרופיזיקה
קטגוריה:בעיות פתוחות בפיזיקה
קטגוריה:מושגים באסטרונומיה