גיל היקום

התפשטות היקום לאחר המפץ הגדול

גיל היקום הוא, על־פי הגדרה פשטנית, הזמן שחלף מאז החל היקום להתקיים. לא תמיד הייתה למושג זה משמעות – היו זמנים שבהם התאוריות השליטות קבעו שהיקום יציב, בן בלי גיל.

תאוריית המפץ הגדול, המקובלת כיום, קובעת שהיקום התחיל בנקודה מסוימת, ואם כך נראה שאפשר להגדיר את גיל היקום כזמן שחלף מאז המפץ. אולם, דווקא התאוריות המודרניות מחייבות הגדרה מדויקת יותר של המושג.

ההערכות האחרונות קובעות שגיל היקום הוא $13.798 \pm 0.037$ מיליארד שנים.

הגדרת גיל היקום

המפץ הגדול אינו מאפשר לדבר סתם כך על ה"זמן" שחלף מאז המפץ. זמן, מלמדת אותנו תורת היחסות, אינו קבוע – הוא תלוי בנקודת המבט של הצופה. אם נציב שעון בנקודת המפץ, הזמן שהוא ימדוד תלוי בשדה הכבידה שהוא נתון בו (כלומר, בתאוצות שיעברו עליו). את גיל היקום מגדירים להיות הזמן הארוך ביותר ששעון כזה יכול למדוד, מאז המפץ ועד ימינו.

היסטוריה

ניסיונות לקבוע את גיל היקום, הזמן שחלף מאז הבריאה, הן חלק – עיקרי או שולי – בכל הדתות והתרבויות העתיקות. פירוש מילולי של ספר בראשית, למשל, קובע שגיל היקום כששת אלפי שנים (ראו גיל היקום בערך תורה ומדע להרחבה בנושא זה). הגישות הבריאתניות נענו מן העבר השני בגישות פילוסופיות, בראש ובראשונה זו של אריסטו, שגרסו כי היקום נצחי ואינו משתנה.

המאה ה־19

ניסיונות מדעיים ראשונים לקבוע את גיל היקום נעשו במחצית השנייה של המאה ה-19, וכוונו בשלב מוקדם זה לקביעת גיל כדור הארץ. בשנת 1862 חישב לורד קלווין שגיל כדור הארץ כ־50–150 מיליוני שנים, מתוך הערכת הזמן הדרוש להתקררות גוש הסלע המותך שהיה כדור הארץ כביכול, בראשיתו, עד לטמפרטורה כיום. מספר שנים אחר־כך חישבו הפיזיקאי הרמן פון הלמהולץ והאסטרונום סימון ניוקומב כמה זמן יקח לשמש להתקרר לטמפרטורה הנוכחית שלה, וקיבלו שגיל השמש קרוב ל־120 מיליון שנה. לקראת סוף המאה הוצעה שיטה אחרת: לחשב כמה שנים נדרש מחזור המים בטבע לפעול כדי להביא את האוקיינוסים לרמת המליחות הנוכחית שלהם; הערך שהתקבל, כ־90 מיליון שנה, קרוב גם הוא להערכות הקודמות.

שלוש הערכות אלה נפלו במרחק רב מן הגיל האמיתי של כדור הארץ, שהוא – לפי הערכות היום – כ־4,540 מיליוני שנים. לורד קלווין לא ידע על הרדיואקטיביות שמחממת את כדור הארץ. הלמהולץ וניוקומב חישבו את גיל השמש בהנחה שאנרגיית החום שלה מקורה בלחץ כבידתי, ולא על־פי מנגנון הפעולה של היתוך המימן. ג׳ון ג׳ולי האירי, שביצע חישובי מליחות, לא ידע דבר על תהפוכות האקלים של כדור הארץ בעידנים קדומים.

המאה ה־20

בסוף שנות העשרים של המאה ה-20 מצא אדווין האבל כי אורן של הגלקסיות הרחוקות מאיתנו מוסט לאדום, תופעה שאותה אפשר להסביר באפקט דופלר הנגרם מהתרחקותם של מקורות האור מאיתנו. האבל הפך את ציר הזמן, והסיק שבעבר, לפני כ־10–20 מיליארד שנים, היה היקום כולו מרוכז בנקודה אחת בעלת גודל אפסי, ואז החל להתפשט – המפץ הגדול. גיל היקום על־פי מודל זה קשור באופן הדוק בקצב ההתפשטות, שאותו מודד קבוע האבל.

מאותה תקופה ראוי לציין גם את תאוריית המצב היציב, שנחשבה מתחרה אפשרית למפץ הגדול עד לגילוי קרינת הרקע הקוסמית, בשנות ה־60. לפי תאוריית המצב היציב, היקום נצחי, חסר גיל.

במהלך שנות ה־90 היה נדמה לזמן מה שהיקום צעיר מכמה מן הכוכבים העתיקים ביותר; סתירה־לכאורה זו מכונה הפרדוקס של גיל היקום. ב־1999 איתר טלסקופ החלל האבל 800 משתנים קפאידיים ב־18 גלקסיות, ובהן הגלקסיה M100. נתונים אלה הביאו להערכה מדויקת יותר של הקבוע של האבל, ואז הוערך גיל היקום בכ־12 מיליארד שנה, בעוד שהכוכבים העתיקים ביותר, אלה המצויים בצבירים כדוריים, הם בני 9–12 מיליארד שנה.

הערכות מודרניות

בפברואר 2004 גדלה משמעותית רמת הדיוק והאמינות של הנתונים בדבר גיל היקום, כאשר לוויין המחקר WMAP בנה מפה מדויקת של קרינת הרקע השיורית מן המפץ הגדול. על־פי נתונים אלה נקבע גיל היקום כ־$13.772 \pm 0.059$ מיליארד שנה. נתונים מאותה חללית העלו גם שהכוכבים הראשונים נולדו כאשר היקום היה בן 200 מיליון שנה (ההערכות הקודמות נעו בין 500 מיליון למיליארד שנים). על תצפיות יסודיות אלה אמר האסטרונום הידוע ג'ון בקל (John Bahcall) מאוניברסיטת פרינסטון, כי הן מהוות "טקס התבגרות של הקוסמולוגיה, מאסופת השערות למדע מדויק". קוסמולוגים אחרים ביקשו להדגיש שהמספרים שמציע WMAP עשויים להיות מבוססים על הנחות יסוד שלא הוכחו.

ב־2013 העריך צוות הלוויין Planck של סוכנות החלל האירופית את גיל היקום ב־13.82 מיליארד שנים – מעט גבוה יותר מההערכה של WMAP אך עדיין בתחום השגיאה. על ידי שילוב הנתונים ניתנה ההערכה המדויקת ביותר כיום: $(13.798 \pm 0.037) \times 10^9$ שנים.

הערכות בסביבת 14 מיליארד שנים מתקבלות גם מהשוואת שתי שיטות אחרות:

1. מעגל פחמן-חנקן-חמצן, שהוא מקור האנרגיה העיקרי של כוכבים כבדים מהשמש, עשוי להיות איטי משחשבו; הערכים החדשים מתאימים לגיל היקום שחושב על־פי קרינת הרקע.
2. אם נסמן ב־z את מקדם ההסטה של קרינה היוצאת מגלקסיה נתונה, אז אפשר לחשב את היחס בין גודלו של היקום היום לגודלו כאשר קרן האור יצאה לדרכה: $\ a=1/(1+z)$. מצד שני, טמפרטורת היקום פרופורציונלית לגודלו, וכך יוצא שהטמפרטורה היום שווה ל־$\ T_0 (1+z)$, כאשר z הוא המקדם הממוצע. כעת אפשר לחשב את המקדם הממוצע, על ידי השוואת טמפרטורת היקום היום (2.7 קלווין), לטמפרטורת פלאנק ששררה ברגע המפץ. גם מהשוואה זו מתקבל אומדן עקבי עם חישובי קרינת הרקע.

ראו גם

• גיל היקום בערך תורה ומדע
• הפרדוקס של גיל היקום