הכרונולוגיה של היקום

היסטוריית היקום

הכרונולוגיה של היקום מתארת את ההיסטוריה של היקום מרגע היווצרותו עד להווה, עם תחזית לעתיד הרחוק. לפי תאוריית המפץ הגדול, היקום היה דחוס וחם לאין שיעור, ומאז הוא מתפשט. התנאים ששררו ביקום החדש היו כה קיצוניים והתהליכים כה רבי עוצמה, שהוא עבר יותר שינויים בשנייה הראשונה להיותו מאשר במיליארדי השנים שחלפו מאז.

הכוחות והחלקיקים המוכרים בהווה היו מאוחדים בתחילת ימיו של היקום, והלכו ונפרדו במספר מעברי פאזה, מעין מעברים של מצב צבירה. תחילה נפרד כוח הכובד, אחריו נפרד הכוח החזק שמלכד את הקווארקים, ואת הפרוטונים והנייטרונים בגרעין, ולאחר מכן נפרדו הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש. ככל שהטמפרטורה ירדה הופיעו חלקיקים חדשים: גלואונים מופיעים עם היפרדות הכוח החזק, פוטונים מופיעים כשנפרדת האלקטרומגנטיות, קווארקים, אבני הבניין של החומר, מתחילים להיווצר יחד עם האנטי-קווארקים, חומר מופיע לראשונה ביקום – נראה שכל החלקיקים וכל הכוחות הפועלים עליהם, שבהווה הם שונים זה מזה בצורה מובהקת, הם הבטים של ישות אחת, ונראים שונים רק כשהאנרגיה שלהם מספיק נמוכה.

גילו של היקום הנצפה מוערך ל-13.819 מיליארד שנים, על פי קבוע האבל, שהוא מדד למהירות התפשטות היקום. בשל התפשטות היקום, רדיוס היקום הנראה איננו 13.819 מיליארד שנות אור אלא גדול יותר, כ-46 מיליארד שנות אור.

עד ראשית המאה ה-20, וגם בעת שאלברט איינשטיין ניסח את תורת היחסות הכללית, הדעה המדעית גרסה שגלקסיית שביל החלב היא היקום כולו. מאז היו תגליות נוספות וחלה התפתחות גדולה בהבנת היווצרותו של היקום. לא מעט שאלות נותרו עדיין ללא מענה, ביניהן מה גורם לאסימטריה של החומר והאנטי-חומר ביקום, או במילים אחרות מדוע נוצר עודף של חומר על פני אנטי-חומר, והחומר מרכיב את היקום. בעיות נוספות הן בעיית החומר האפל – לפי חישובים חסרה ביקום כמות גדולה של חומר כדי להסביר את מהירות הסיבוב של הגלקסיות, וחידת האנרגיה האפלה – היקום מתרחב במהירות מואצת, והגורם להאצה הוא עדיין חידתי.

אפשר לחלק את ציר הזמן של היקום לארבעה חלקים:

• היקום המוקדם מאוד – נמשך מתחילת עידן פלאנק (זמן פלאנק לאחר המפץ הגדול) עד ${10}^{-32}$ שניות בתום העידן האלקטרו-חלש. תקופה זו נחקרת מבחינה תאורטית, אך האנרגיות העצומות ביקום זה הן מעבר ליכולת המחקר של הפיזיקה האמפירית.
• היקום המוקדם – מעידן הקווארקים עד כ-150 מיליון שנה בתום העידן החשוך. בתחילת שלב זה הופיעו כוחות והחלקיקים האלמנטריים, אבל היקום היה עדיין במצב של פלזמה אטומה והפוטונים לא יכלו לנוע בתוכו. בסביבות 380 אלף שנה על ציר הזמן התחיל עידן הרקומבינציה, החלקיקים האלמנטריים התחברו ויצרו אטומים, והפוטונים השתחררו לנוע ביניהם. אז מתחילה "התקופה החשוכה" (dark age) שנמשכה עד 150 מיליון שנים על ציר הזמן. היקום היה שקוף והפוטונים היו חופשיים לנוע, אך עדיין לא נוצרו בו תבניות גדולות והכוכב הראשון עדיין לא זרח, לכן היקום נראה חשוך.
• עידן התצורות הגדולות או היקום זרוע הכוכבים – מהריוניזציה (היינון מחדש) ועד להווה. בעידן זה נוצרו הכוכבים, הגלקסיות, קבוצות וצבירי הגלקסיות וצבירי-העל. דיסקית הגלקסיה שלנו התחילה להיווצר בערך בשנת 5 מיליארד. מערכת השמש נוצרה בערך לפני 4.6 מיליארד שנים, והסימנים הראשונים לחיים על כדור הארץ התחילו להופיע לפני כ-3.5 מיליארד שנים. שלב זה עתיד על פי התאוריות להימשך עוד כמאה מיליארד שנים.
• העתיד הרחוק – היקום יתפשט עד אין קץ, אך קיימים תרחישים שונים לסופו של היקום. כמה מהם הם מות החום של היקום, הקריעה הגדולה, הקיפאון הגדול ועוד.

במודל המפץ הגדול הוכנס תיקון שנקרא תאוריית האינפלציה, ולפיה בשבריר השנייה הראשון לקיומו היקום עבר התרחבות אדירה, בקצב גבוה בהרבה ממהירות האור (אין בכך סתירה לתורת היחסות הפרטית, שכן לא מדובר בתנועה, אלא בהתרחבות של החלל שבין כל שתי נקודות). התאוריה נועדה להסביר תופעות שאינן עולות בקנה אחד עם מודל המפץ הגדול הסטנדרטי, כמו בעיית האופק.

היקום המוקדם מאוד

עידן פלאנק

עידן פלאנק נמשך מאפס עד זמן פלאנק שהוא ${10}^{-43}$ שניות. זמן פלאנק הוא הזמן שייקח לפוטון שנע במהירות האור לעבור מרחק השווה לאורך פלאנק, ${10}^{-35}$ מטר. אורך פלאנק הוא האורך הקצר ביותר בעל משמעות פיזיקלית, והוא קטן ב-20 סדרי גודל מקווארק. לפי עקרון אי הוודאות זהו הרדיוס המינימלי של חור שחור, ולאורך קצר מזה אין משמעות, משום שאי אפשר לבצע מדידה פנימה מעבר לאופק האירועים של חור שחור. היקום הוא זעיר לאין שיעור, והאנרגיה הדחוסה בו גדולה לאין שיעור.

זמן פלאנק הוא הנקודה הקרובה ביותר שהפיזיקה יכולה להגיע להתחלה האבסולוטית של היקום, ומעט מאוד ידוע על עידן פלאנק שלפניה. על פי משוואות תורת היחסות הכללית, היקום לפני כן היה נקודה סינגולרית – נקודה שבה הכבידה היא אינסופית, ולכן גם עיקום המרחב-זמן הוא אינסופי. בנקודה זאת משוואות תאוריית היחסות הכללית אינן ישימות, בדומה לחלוקה באפס. אין כיום תאוריה שמתארת את היקום לפני זמן פלאנק, ולא ברור האם למושג "זמן" יש מובן בממדים כאלה. ההשערה היא ששלטו ביקום האפקטים הקוואנטיים של גרביטיציה.

בנקודת פלאנק המציינת את סוף עידן פלאנק, נקודה בודדת מתחילת היקום הגיעה לגודל של ${10}^{-35}$ מטר שהוא אורך פלאנק אחד. הטמפרטורה מעל ${10}^{32}$ מעלות קלווין ונקראת טמפרטורת פלאנק, אנרגיית החלקיקים מוערכת ב-${10}^{19}GeV$, שהיא האנרגיה המקסימלית התאורטית האפשרית ונקראת אנרגיית פלאנק. הפיזיקה לא יודעת הרבה על טמפרטורות ואנרגיות כאלה; לפי התאוריה באנרגיית פלאנק ארבעת הכוחות היסודיים – כבידה, אלקטרומגנטיות, הכוח החלש והכוח החזק, ניתכים כביכול יחד, והם מאוחדים לכוח על אחד. ביקום זה לא היו חלקיקים, וחוקי הטבע עדיין לא נוצרו.

עידן האיחוד הגדול

עידן האיחוד הגדול נמשך בין ${10}^{-43}$ ל-${10}^{-36}$ שניות על ציר הזמן הקוסמי, ובו נפרדה הכבידה משלושת הכוחות האחרים שנשארים מאוחדים.

עד כה ארבעת הכוחות היסודיים היו מאוחדים, אפשר לדמיין זאת כארבע מתכות שמותכות יחד לנוזל אחיד וחלק, שנמצא ב"סימטריה" בלשון הפיזיקאים, ועם ההתקררות אחת מהן מתחילה להתגבש ומשבשת את הסימטריה. בדומה לאנלוגיה זאת, היקום מתפשט ומתקרר, ועם ההתקררות הוא עובר מעבר פאזה ממצב צבירה אחד לשני. במעבר הפאזה בעידן האיחוד הגדול, כוח הכבידה נפרד מהכוחות היסודיים האחרים שנשארים מאוחדים ונקראים הכוח האלקטרו-גרעיני. התאוריה המתארת את הכוח האלקטרו-גרעיני נקראת התאוריה המאוחדת הגדולה, ומכאן שמו של העידן.

אם הגרביטון התאורטי שנושא את כוח הכבידה קיים, הוא הופיע בעידן זה. תאורטית היה קיים גם בוזון (חלקיק נושא כוח) שנשא את הכוח האלקטרו-גרעיני. אי אפשר לגלות בוזון זה במעבדה משום שהאנרגיה התאורטית שלו קרובה לאנרגיית פלאנק. אם אכן היה קיים, הוא היה "חסר התמחות" ולא היו לו תכונות כמו ספין, מטען חשמלי או מסה, שהם מאפיינים של סוגי הבוזונים המאוחרים, שיופיעו כאשר הכוחות היסודיים ייפרדו זה מזה ככל שהיקום התקרר. גודלו של היקום בתום עידן זה הוא קטן מפרוטון.

העידן האלקטרו-חלש

ערך מורחב – העידן האלקטרו-חלש

העידן האלקטרו-חלש נמשך בין ${10}^{-36}$ ל-${10}^{-12}$ שניות על ציר הזמן הקוסמי, והוא מתחיל באינפלציה הקוסמית (בסעיף הבא). הטמפרטורה בתחילתו היא ${10}^{28}$ מעלות קלווין, נמוכה מספיק כדי שהכוח החזק ייפרד משני הכוחות האחרים במעבר פאזה שני אחרי שנפרד כוח הכבידה. הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש נשארים מאוחדים, והם מכונים הכוח האלקטרו-חלש. הכוח החזק נישא על ידי גלואון (הבוזון נושא הכוח החזק), והכוח האלקטרו-חלש נישא על ידי סוג כלשהו של בוזון אלקטרו-חלש תאורטי.

אינטראקרציות עם הכוח החזק גורמות להופעת חלקיקים אקזוטיים' כולל בוזוני W ו-Z ובוזון היגס. בוזון היגס נושא את שדה היגס שמעניק לחלקיקים שעוברים דרכו מסה. שדה היגס נמצא בכל מקום ביקום, מאט את תנועת החלקיקים ומונע מהם לנוע במהירות האור. חלקיקים שונים מושפעים בדרגות שונות משדה היגס, יש חלקיקים שמתקשים לעבור בשדה היגס וכך הם רוכשים לעצמם מסה גדולה, חלקיקים אחרים עוברים ביתר קלות ורוכשים פחות מסה, וחלקיקים אחרים, כדוגמת הפוטון, אינם מושפעים משדה היגס כלל, הם נשארים חסרי מסה ונעים במהירות האור. אפשר לחשוב על התופעה כאדם שהולך על היבשה לעומת אדם שהולך בתוך מים; ההליכה במים מעוכבת על ידי התנגדות המים, לעומת זה דג, שמייצג באנלוגיה חלקיק עם מסה קטנה, מתקדם במים במהירות.

העידן האלקטרו-חלש מסתיים כשמתחיל מעבר פאזה נוסף, היפרדות הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש.

עידן האינפלציה הקוסמית

ערך מורחב – אינפלציה קוסמית

העידן האלקטרו חלש נפתח עם האינפלציה (ההתנפחות) הקוסמית, שהתחילה ב-${10}^{-36}$ שניות אחרי המפץ הגדול. והסתיימה תוך חלקיק שנייה בין ${10}^{-33}$ ל-${10}^{-32}$ על ציר הזמן. הפיזיקאי אלן גות' מחלוצי תאוריית האינפלציה תיאר אותה כמפץ גדול בתוך מפץ גדול. במשך חלקיק שנייה היקום עובר התפשטות מהירה יותר ממהירות האור, גודלו הליניארי גדל לפחות פי ${10}^{26}$ ומגיע לכ-10 ס"מ, הנפח שלו גדל בהתאם פי ${10}^{78}$, בערך לנפח של אשכולית.

הסיבה להתפשטות האדירה אינה ידועה, ההשערה היא ששבירת הסימטריה בין הכוחות בעידן האיחוד הגדול, גרמה לשחרור של אנרגיה עצומה של הכוח החזק, שהוא חזק בכ-40 סדרי גודל מכוח הכבידה. כתוצאה מהיפרדותו נוצר שטף מהיר של אנרגיה שגרם לאפקט אנטי-כבידתי חזק. לפי חלק מהתאוריות שדה היגס נוצר עם היפרדות הכוח החזק בתחילת עידן זה, והוא אחראי לאינפלציה הקוסמית המעריכית (אקספוננציאלית).

תאוריית האינפלציה מסבירה מספר תופעות שהמודל הסטנדרטי של המפץ הגדול אינו מסביר, לדוגמה השאלה מדוע קרינת הרקע הקוסמית כה אחידה, בעיה שנקראת בעיית האופק.

בעיית האופק

לפי מודל האינפלציה הקוסמית, עד האינפלציה היקום היה קטן יותר ממה שחוזה המודל הסטנדרטי, לכן הפוטונים היו קרובים מספיק והיה להם די זמן להעביר ביניהם מידע (כלומר אנרגיה).

כשאנו צופים לשמיים המרחק בין הפוטונים של קרינת הרקע בצד אחד לבין קרינת הרקע בצד שני הוא כ-27 מיליארד שנות אור, כפול מגיל היקום. קרינת הרקע הקוסמית היא הפוטונים הקדומים ביותר ביקום הנצפה שלנו, והם יצאו לדרך בעידן הרקומבינציה שהתחיל בערך בשנת 380,000 על ציר הזמן הקוסמי. בזמן שהפוטונים יצאו, רדיוס היקום היה כבר בגודל של כ-42 מיליוני שנות אור, ולכן לא ייתכן שהפוטונים הקדומים מכל קצות היקום היו אי פעם קרובים מספיק והיה להם די זמן כדי להעביר ביניהם אנרגיה ולהשוות טמפרטורות.

מודל האינפלציה מסביר זאת על ידי כך שהיקום בתחילת האינפלציה היה קטן יותר ממה שחוזה המודל הסטנדרטי, ובשלב מוקדם מאוד התנפח במהירות גדולה ממהירות האור. אין בכך סתירה לתורת היחסות, משום שאמנם חומר ואנרגיה אינם יכולים לנוע מהר ממהירות האור, אבל התפשטות של המרחב היא אפשרית, והיא נושאת על גבה את האנרגיה והחומר שיש בה.

תנודות קוונטיות

האינפלציה הקוסמית מספקת גם הסבר חלקי מדוע למרות האחידות בכל זאת יש ביקום תצורות. ההסבר נעוץ בתופעת התנודות הקוואנטיות. על פי עקרון אי הוודאות, זוגות של חלקיק ואנטי-חלקיק נוצרים ומתאיינים בלי הרף מתוך שום דבר, הם "לווים" אנרגיה מהריק, נוצרים, ומתאיינים זה עם זה תוך החזרת האנרגיה ששאלו, בפרק זמן קצר המותר לפי עקרון אי הוודאות. כדי להמחיש זאת אפשר לכתוב את עקרון אי הוודאות בצורה: $\Delta E\Delta t\geq {h \over 4\pi }$ כאשר $E$ הוא אנרגיה, $t$ הוא משך הזמן, $\Delta$ מציין את סטיית התקן של גדלים אלה דהיינו אי הוודאות, ו-$h$ הוא קבוע פלאנק. אי השוויון מראה כי התהליך ייתכן, וניתן לחסום את הסתברותו.

התנודות הקוואנטיות נצפו בעקיפין למשל בניסוי קזימיר. בהתפשטות המהירה ממהירות האור בעידן האינפלציה, חלק מזוגות החלקיקים שנוצרו עקב תנודות קוונטיות הופרדו מיד והתרחקו למרחק גדול מכדי להתאיין, וכך הוקפאו. כל חלקיק כזה שנוצר משבש את אחידות הצפיפות וממנו יכולים להיווצר אחר כך הגופים השמימיים, כוכבים וגלקסיות.

היקום המוקדם

בעידן זה כוחות היסוד קיימים כפי שהם מוכרים לנו בהווה, והיקום עובר למצב צבירה של פלזמה קווארק-גלואונית (QGP) שנקראת גם "מרק קווארקים". זהו מצב הצבירה החמישי, שקורה בטמפרטורות גבוהות מאוד. בניגוד למצב פלזמה שבה אטומים "מומסים" ומתפרקים לגרעיני אטום ואלקטרונים, פלזמת QGP היא נוזל שבו גרעיני האטומים מפורקים לחלקיקים שמרכיבים אותם, שהם קווארקים יחד עם הגלואונים שחיברו ביניהם. כשהטמפרטורה תרד מספיק בעידן מאוחר יותר, קווארקים וגלואונים קדמוניים אלה יתחברו וירכיבו את האטומים הראשונים.

מנקודה זו והלאה הפיזיקה של היקום המוקדם מובנת טוב יותר, והאנרגיות הן ברמה שאפשרית לניסויים במאיצי חלקיקים.

עידן הקווארקים

בין ${10}^{-12}$ ל-${10}^{-6}$ שניות על ציר הזמן הקוסמי, בעידן זה מופיע לראשונה החומר ביקום. הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש שהיו צמודים, נפרדים גם הם במעבר פאזה נוסף של היקום, ולראשונה נראים ארבעת כוחות היסוד כפי שהם מוכרים לנו בהווה. קוטרו של היקום הוא כ-${10}^{12}$ מטר, בסביבות שנת אור אחת. קווארקים, אלקטרונים ונייטרינים נוצרים מתוך האנרגיה בכמויות גדולות, היקום מתקרר מתחת ל-${10}^{24}$ מעלות, והוא מתמלא בפלזמה לוהטת של קווארקים, לפטונים, והאנטי-חלקיקים שלהם. הטמפרטורה עדיין גבוהה מכדי שהקווארקים יתחברו להאדרונים, אף שהגלואונים – החלקיקים נושאי הכוח החזק – קיימים, ומפעילים עליהם כוח. בעידן זה החלקיקים בפלזמה הקווארק-גלואונית מתחילים לקבל מסה ומתחיל להיווצר החומר ביקום. קווארקים ואנטי קווארקים מאיינים זה את זה תוך פליטת אנרגיה. מאחר שהטמפרטורה ירדה, אנרגיה זו כבר אינה מספיקה כדי לייצר זוגות קווארקים חדשים ולכאורה כל הקווארקים היו אמורים להיעלם, אך זה לא קרה ויש לכך מספר הסברים תאורטיים. עם זאת, האסימטריה בין חומר לאנטי-חומר היא עדיין מסתורין שהמדע טרם פיענח.

אסימטריית חומר אנטי-חומר

כמעט לכל חלקיק יש אנטי-חלקיק תאום, שיש לו אותה מסה, מטען הפוך, והוא מעין תמונת ראי של בן זוגו. כשחלקיק נפגש עם האנטי-חלקיק שלו, שניהם מתאיינים תוך פליטת אנרגיה. חוקי הפיזיקה הם סימטריים ואינם מבדילים בין חלקיק לאנטי חלקיק: לשניהם יש אותן תכונות פיזיקליות, לדוגמה: לאנטי-מים שמורכבים מאנטי חמצן ואנטי מימן יהיו אותן תכונות כמו למים. בתנאים של ראשית היקום נוצרה אותה כמות של חלקיקים כמו אנטי-חלקיקים. אם כך, החידה היא מדוע היקום עשוי מחומר; כלומר מדוע לא כל החלקיקים התאיינו עם אנטי-חלקיקים.

חלק מהתאוריות מניחות שלמעשה הסימטריה של חוקי הטבע אינה מושלמת, ולכן ייתכנו תהליכים שבהם יש העדפה קטנה ליצירת חומר על פני אנטי חומר. כלל האצבע של מכניקת הקוואנטים הוא שכל דבר שיכול לקרות קורה, בתנאי שנשמרים הגדלים המצייתים לחוק שימור "חזק" (כזה שמתקיים תמיד), כגון אנרגיה ומספרים קוונטיים מסוימים, לרבות המספר הבאריוני, המספר הלפטוני והמטען החשמלי. עם זאת, קיימים מספרים קוונטיים אחרים, המצייתים לחוק שימור "חלש" (המתקיים רק ברוב המקרים). אסימטריה נצפתה בניסויים עם קאונים נייטרליים. חלקיקים כאלו נושאים מוזרות של 1+, בעוד האנטי-חלקיק שלהם, אנטיקאון נייטרלי, נושא מוזרות של 1-. מוזרות היא מספר קוונטי, אשר לרוב, הוא בעל ערך זהה לפני ואחרי תהליך פיזיקלי. מספר זה נשמר בתהליכים של הכוח החזק, הכוח האלקטרומגנטי והכבידה. אולם, הכוח החלש מסוגל לגרום הפרה של חוק שימור המוזרות. הקאון הנייטרלי דועך לשני פאיונים; כדי לשמר את המוזרות, האנטי-קאון אמור לדעוך לשלושה פאיונים. בניסויים נמצא שאחת ל-500 דעיכות הסימטריה הזאת מופרת, והאנטי-קאון דועך לשני פאיונים. הווה אומר, מדי פעם תהליך הדעיכה מפר את סימטריית CP. באופן דומה קיימת תאוריה על תהליך באריוגנזה, שבו אחת למיליארד זוגות שמתאיינים יש הפרה של מספר הבאריונים, ומאינטראקציה כזאת נותר חלקיק בודד עודף.

השערה אחרת היא שהאסימטריה שאנו רואים היא מדומה, ולמעשה קיימת ביקום סימטריה בין כמות החומר לאנטי-חומר, אבל היקום מחולק לאזורים של חומר ואזורים של אנטי חומר. ממרחק האזורים של אנטי-חומר נראים ומתנהגים כמו אזורי החומר. העדות לכך שהם אנטי-חומר תהיה רק בגבולות שלהם, כי שם תיפלט קרינה של פוטוני גמא כתוצאה מאיון זוגות חומר ואנטי-חומר. גבולות כאלה טרם נצפו, אך התאוריה מעלה אפשרויות מעניינות. למשל, אם אזורים כאלה קיימים הם עשויים לפעול כעין אנרגיה אנטי חומרית, בדומה לכך שהאנרגיה האפלה פועלת כאנטי-כבידה ^{[דרוש מקור]}. ייתכן אפילו שאזורים אלה הם הם האנרגיה האפלה.

עידן ההאדרונים

פרוטון מורכב משני קווארקי למעלה ואחד למטה, נייטרון מורכב משני קווארקי למטה ואחד למעלה. הקווים הגליים מציינים גלואונים, החלקיקים נושאי הכוח החזק המחבר בין הקווארקים

עידן ההאדרונים נמשך מ-${10}^{-6}$ לשנייה אחת על ציר הזמן הקוסמי. ארבעת כוחות היסוד כבר פועלים ביקום. הפלזמה הקווארק-גלואונית שמרכיבה את היקום מתקררת לבערך טריליון (${10}^{12}$) מעלות, מספיק כדי לאפשר לכוח החזק לחבר קווארקים וליצור האדרונים. האדרונים הם חלקיקים שמורכבים מקווארקים שמחוברים יחד על ידי הגלואונים נושאי הכוח החזק, המפורסמים שבהם הם פרוטון ונייטרון. לפרוטון יש מסה/אנרגיה נמוכה יותר מלנייטרון, לכן נוצרים כעת פי שבעה יותר פרוטונים מנייטרונים. נייטרונים חופשיים שלא מתחברים לפרוטונים בתוך גרעין אטום אינם יציבים, והם דועכים והופכים לעוד פרוטונים. נוצרים גם אנטי-האדרונים, רוב ההאדרונים והאנטי-האדרונים מתאיינים זה עם זה, אבל 1 למיליארד האדרונים שורד. חלק מהנייטרונים והנייטרינו מתחברים מחדש לזוגות פרוטון-אלקטרון. החוקים היחידים ששולטים בהתחברויות והיפרדויות מרובות אלה הן שהמטען והאנרגיה נשמרים.

כשהטמפרטורה יורדת, חלקיקי נייטרינו משתחררים (decouple) מהאינטראקציה עם חלקיקים אחרים בפלזמה, והם מתחילים לנוע במרחב במהירות האור או קרובה לה. תהליך דומה יקרה לפוטונים בעידן הרקומבינציה, 380 אלף שנה מאוחר יותר, ופוטונים אלה מהווים את קרינת הרקע הקוסמית. תאורטית אפשר לבנות באופן דומה מפה של קרינת הרקע של הנייטרינו, והיא תלמד אותנו על היקום שנייה או שתי שניות אחרי המפץ הגדול. כיום נעשים מאמצים לאתר את קרינת הנייטרינו הקדומה. זאת משימה קשה כי חלקיקי נייטרינו מגיבים רק לכוח החלש ולכבידה, והאנרגיה הצפויה שלהם היא זעירה וקרובה לאפס המוחלט.

עידן הלפטונים

דיאגרמת פיינמן של אלקטרון ופוזיטרון מתאיינים ופולטים 2 פוטונים. בדיאגרמת פיינמן קו ישר מסמל פרמיון (חלקיק חומר), וקו גלי מסמל בוזון (חלקיק נושא כוח). באנרגיות גבוהות התהליך פועל גם בכיוון ההפוך.

עידן הלפטונים (שהאלקטרון הוא אחד מהם) נמשך בין שנייה אחת ל-10 שניות על ציר הזמן הקוסמי, גודלו של היקום הוא פי אלף ממערכת השמש. רוב ההאדרונים והאנטי-האדרונים התאיינו זה עם זה עד סוף עידן ההאדרונים, והותירו אחריהם שארית קטנה של האדרונים. לפטונים ואנטי-לפטונים נוצרים ומתאיינים תוך כדי פליטת אלקטרון ופוטון גמא עתיר אנרגיה. היקום עתה רוחש אלקטרונים כתוצאה מאיון זוגות לפטונים ומדעיכה של לפטונים מסיביים. הטמפרטורה עדיין גבוהה והאלקטרונים אינם יציבים. בערך 10 שניות אחרי המפץ הגדול הטמפרטורה יורדת לנקודה שבה זוגות לפטון ואנטי-לפטון לא נוצרים יותר, ביקום נשארות שאריות ההאדרונים והלפטונים, כשהם שטים בתוך ים של פוטונים עתירי אנרגיה.

עידן הפוטונים

עידן זה נמשך בין 10 שניות ל-380,000 שנה על ציר הזמן הקוסמי. בתחילת עידן ארוך זה של התקררות הדרגתית היקום היה מלא פלזמה, מרק חם ואטום של גרעיני אטומים ואלקטרונים. אחרי שרוב הלפטונים והאנטי-לפטונים התאיינו זה עם זה בסוף עידן הלפטונים, האנרגיה ביקום נשלטת על ידי פוטונים, שממשיכים להשתתף באינטראקציות עם פרוטונים, אלקטרונים, וגרעיני אטום בעלי מטען חשמלי.

הפלזמה מלאה פוטונים אבל היא אטומה לאור בגלל פיזור קומפטון: המהלך החופשי הממוצע של הפוטונים, דהיינו המרחק שהם יכולים לעבור עד שהם נתקלים באלקטרון, הוא קצר מאוד. כשפוטון עתיר אנרגיה נתקל באלקטרון הוא גורם לו לפלוט גל, והגלים מתאבכים.

נוקליאוסינתזה – יצירת יסודות חדשים

בדקות הראשונות לעידן הפוטונים, בין דקה 3 ל-20 על ציר הזמן הקוסמי, הטמפרטורה יורדת ל-${10}^{11}$ מעלות קלווין, טמפרטורה שבה פרוטונים ונויטרוים מתחילים להתחבר בתהליך של היתוך גרעיני. עד כה היה ביקום רק גרעין מימן שהוא פרוטון, וכעת פרוטונים ונייטרונים ניתכים ויוצרים גרעיני יסודות כבדים יותר. פרוטונים ונייטרונים מתחברים לדאוטריום שהוא איזוטופ של מימן המכיל פרוטון ונייטרון, גרעיני דאוטריום מתחברים ליצירת הליום-4 שבו 2 נייטרונים ו-2 פרוטונים. בתום פרק זמן זה הטמפרטורה היא כ-${10}^{9}$ מעלות קלווין. המימן וההליום שנוצרו עד כה מהווים את רוב החומר ביקום. נוצרה גם כמות זעירה של ליתיום-7. היסודות הכבדים יותר מליתיום ייווצרו בשלב מאוחר יותר, בנוקלאוסינתזה שתתרחש בתוך כוכבים.

עידן הרקומבינציה

מפת קרינת הרקע הקוסמית. המפה נבנתה על ידי סריקת השמיים ומיפוי מדוקדק של טמפרטורת קרינת הרקע שהיא בסביבות 2.73 מעלות קלווין.

עידן הרקומבינציה או בשם אחר Decoupling Epoch, מתחיל בסביבות 380,000 שנה על ציר הזמן הקוסמי, רדיוס היקום הוא 42 מיליון שנות אור.^{[דרוש מקור]} הטמפרטורה ירדה מספיק כדי לאפשר לאלקטרונים להיקשר לגרעיני אטום, ולראשונה מופיעים ביקום אטומים. האלקטרונים החופשיים נתפסים על ידי יוני המימן וההליום ויוצרים אטומים נייטרליים. כל הכוחות המוכרים לנו קיימים ופועלים על האטומים החדשים, והיקום הוא בדרך להיות המרחב זרוע הכוכבים שאנו מכירים. התהליך הוא מהיר יחסית (ומהיר לאטומי ההליום יותר מאשר למימן), בסוף עידן הרקומבינציה רוב האלקטרונים ביקום נמצאים בתוך אטומים נייטרליים ואינם מתנגשים בפוטונים, והפוטונים חופשיים לנוע. הפוטונים שנוכחים בעידן זה הם אותם פוטונים שנמצאים בקרינת הרקע הקוסמית, אחרי שהתקררו על ידי התפשטות היקום.

העידן החשוך Dark Ages

בעידן הרקומבינציה היקום נעשה שקוף והפוטונים השתחררו, אך עוד לא נוצר הכוכב הראשון שיאיר את השמיים והיקום היה פשוטו כמשמעו חשוך. הקרינה היחידה הייתה הקרינה באורך גל של 21 ס"מ מאטומי מימן. נעשים מאמצים לגלות את הקרינה החלשה הקדומה הזאת, כי על ידי מדידת העוצמה שלה בנקודות שונות אפשר יהיה למפות את כמות החומר ביקום בין עידן הרקומבינציה לעידן הריוניזציה. היא מלמדת גם על עידן הריוניזציה הבא בתור, מאחר שאטומי מימן מיוננים (כלומר ללא אלקטרון) מופיעים כ"חורים" בקו מימן 21.

הטמפרטורה ירדה, החומר הבאריוני היה מפוזר בדלילות ביקום, והפעילות התמעטה בצורה דרמטית עם לוח זמנים ארוך מאוד, שבו נוצרים הכוכבים. החומר האפל המסתורי עדיין, מרכיב את רוב החומר ביקום.

מקובל להעריך שהעידן החשוך נמשך בין 380,000 עד 150 מיליון שנה על ציר הזמן הקוסמי. ב-2010 התגלתה הגלקסיה UDFy-38135539 עם הסחה לאדום – $z=8.6$. האור עבר ממנה לכדור הארץ מרחק של כ-13.1 מיליארד שנות אור, והיא נוצרה אי שם בעידן החשוך. בסוף ספטמבר 2022 טלסקופ החלל ג'יימס ווב גילה את הגלקסיה JADES-GS-z13-0 , עם הסחה לאדום $z=13.2$, מרחקה כיום הוא כ-$33.6$ מיליארד שנות אור.

החומר האפל

גרף של מהירות סיבוב הכוכבים בגלקסיה ספירלית אופיינית. ציר X הוא המרחק ממרכז הגלקסיה, הקו האדום מציין את מהירות הכוכבים שנמדדה. המהירות אינה יורדת עבור כוכבים רחוקים מהמרכז, מה שרומז על כך שקיים בגלקסיה חומר נוסף שאיננו נראה.

הדמיה תאורטית של התגבשות החומר האפל ל"סיבים", שמהווים, תשתית שעליה נבנים צבירי החומר הבאריוני. מ-140 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול בצד שמאל למעלה, עד ההווה בצד ימין למטה.

מהירות הסיבוב של גופים שמימיים תלויה במסת הגוף סביבו הם נעים ובמרחקם ממנו, בהתאם לחוק השלישי של קפלר. למשל, במערכת השמש מהירות הסיבוב של הפלנטות הולכת ויורדת ככל שהן רחוקות יותר מהשמש. אבל בגלקסיות נצפתה תופעה לא מוסברת, מהירות הסיבוב של גלקסיות ספירליות היא הרבה יותר גבוהה ממה שמתקבל על ידי חישוב המסה שלהן (ניתן למדוד מהירות של עצמים רחוקים על ידי אפקט דופלר). הפער גדול אף יותר בזרועות מרוחקות ממרכז הגלקסיה – מדידות של מהירות הכוכבים המרוחקים ממרכז הגלקסיה גילו שמהירות הסיבוב שלהם אינה יורדת ככל שהכוכבים רחוקים יותר מהמרכז. לתופעה זו אין הסבר וההנחה המקובלת היא שקיים "חומר אפל", חומר בלתי נראה שלא פולט או קולט קרינה כלשהי, לא אור, לא חום, ולא גלי רדיו, ולכן קשה מאוד לאתרו. לפי החישובים 4% מהחומר ביקום הוא חומר בריוני (רגיל), 23% הוא חומר אפל, ו-73% הוא אנרגיה אפלה.

החומר האפל התאורטי מסביר לא רק את מהירות הסיבוב של גלקסיות, אלא גם את פיזור הגלקסיות ביקום: אחת הבעיות הלא פתורות במודל המפץ הגדול היא שלעומת קרינת הרקע הקוסמית שהיא אחידה עד כדי אחד למאה אלף, פיזור הגלקסיות נראה אקראי ולא מוסבר - עם צבירי גלקסיות מצד אחד, וחללים ריקים כביכול מצד שני. אמנם נצפו שינויים זעירים בצפיפות קרינת הרקע וייתכן ששינויי צפיפות קטנים אלה קיבצו סביבם יותר ויותר חומר באמצעות כוח הכבידה, וכך נוצרו במשך השנים גופים גדולים; הבעיה היא שגיל היקום אינו מספיק כדי להסביר את התהליך האיטי הזה. תוספת של חומר אפל מסבירה זאת, ולפי החישובים אחוז החומר האפל שנחוץ כדי להסביר היווצרות גלקסיות משינויי הצפיפות בקרינת הרקע, הוא בקירוב אותו אחוז שנחוץ כדי להסביר את מהירות הסיבוב של גלקסיות.

לא ידוע מה טיבו של החומר האפל, והאם הוא קיים או שלתופעות יש הסבר אחר. תאוריה אחת גורסת שהחומר האפל הוא חומר באריוני רגיל כלומר נייטרונים ופרוטונים; תאוריה אחרת גורסת שהחומר האפל הוא חלקיקי הניטרינו המהירים, שהמסה שלהם היא אמנם זעירה אבל הם רבים מאוד.

היקום זרוע הכוכבים

תקופה זו מכונה גם "עידן התצורות הגדולות". בעידן זה נוצרו הכוכבים והגלקסיות, צבירי הגלקסיות וצבירי העל, וזהו העידן שלנו. הכוכבים הראשונים נוצרו מקריסה של ענני מימן בגלל כוח הכבידה. כוכבים קדומים אלה נקראים כוכבים מסוג אוכלוסייה III והיו מורכבים כמעט ורק ממימן והליום, שהם היסודות שנוצרו במפץ הגדול. השם "אוכלוסייה III" מסווג אותם לפי אחוז היסודות הכבדים שבהם, תכונה שנקראת בקוסמולוגיה מתכתיות. כוכבים אלה, אם אכן הם קיימים, הם רחוקים מאוד וטרם נצפו. הם היו לוהטים ומסיביים מאוד, בסדר גודל של אלף שמשות, ופלטו קרינה אולטרה-סגולה חזקה, שגרמה ליינון גז המימן הנייטרלי שסביבם. הם התכלו במהירות תוך כמה מיליוני שנים, וסיימו את חייהם הקצרים כסופרנובה שהעיפה אל ענני המימן שמסביב את היסודות הכבדים יותר שנוצרו בליבתם, כמו פחמן, צורן, חמצן וברזל. באופן כזה נזרעו יסודות כבדים יותר בכוכבים הנוצרים הבאים. כוכבים קדומים מכילים פחות יסודות, בעוד כוכבים צעירים יותר מכילים יותר יסודות כבדים. רוב היסודות הכבדים מהליום נוצרו בנוקליאוסינתזה של סופרנובה של כוכבי נייטרונים, ובראקציות היתוך בתוך כוכבים והתפזרו לחלל כשהם התפוצצו. חלק מכוכבי אוכלוסייה III לא התפזרו לרסיסים אלא הותירו אחרי ההתפוצצות חור שחור. ייתכן שחורים שחורים אלה חברו לחורים שחורים אחרים, ויצרו את הקוואזרים הראשונים והגלקסיות הראשונות.

שביל החלב שלנו הוא גלקסיה ספירלית עתיקה, בערך בת 13.2 מיליארד שנה, שבלבה חור שחור על-מסיבי, קשת A*.

יינון מחדש

עידן היינון מחדש (reionization) התקיים בין 150 מיליון למיליארד שנה לאחר תחילת המפץ הגדול. הקוואזרים הראשונים מופיעים כתוצאה מקריסה כבידתית, והקרינה החזקה שהם פולטים מייננת מחדש את היקום שמסביב. זהו מעבר הפאזה השני של גז המימן ביקום, הראשון היה בתקופת הרקומבינציה כשאלקטרונים וגרעיני מימן מיוננים (פרוטונים) התחברו ליצירת אטום מימן נייטרלי. עתה רוב היקום חוזר ממצב נייטרלי למצב של פלזמה מיוננת, אם כי דלילה בהרבה. פיזור קומפטון שכבל את תנועת הפוטונים בפלזמה של עידן הפוטונים, קורה הרבה פחות, והיקום לא נעשה אטום אלא נשאר שקוף.

סופו של היקום

גורל היקום תלוי בכמות החומר כולל החומר האפל שבו, ומצד שני כמות האנרגיה כולל האנרגיה האפלה. אם החומר יגבר היקום יבוא אל קיצו במעיכה גדולה, אם האנרגיה תגבר הסוף יהיה בקריעה אדירה. תרחיש ביניים יסתיים בקפיאה הגדולה.

הגאומטריה של היקום

אחת מהשאלות המרכזיות באסטרופיזיקה היא האם היקום הוא "סגור", "שטוח" או "פתוח". יקום סגור הוא יקום שמתפשט במהירות יורדת עד שההתפשטות נעצרת והיקום מתכווץ בהדרגה חזרה לנקודה סינגולרית; יקום שטוח הוא יקום שממשיך לגדול אסימפטוטית לעבר גודל מסוים שיגיע אליו כעבור אינסוף זמן; יקום פתוח הוא יקום שגדל בהתמדה עד אינסוף. הפרמטר שקובע את גאומטריית היקום הוא $\Omega$ (אומגה), שהוא היחס בין הצפיפות בפועל לבין הצפיפות הקריטית. הצפיפות בפועל מחושבת בעזרת תצפיות אמפיריות, ואת הצפיפות הקריטית אפשר לחשב בעזרת משוואת פרידמן. משוואת פרידמן היא מקרה פרטי של משוואות השדה של תורת היחסות הכללית, תחת ההנחה שהיקום הוא הומוגני ואיזוטרופי: $\left({\frac {a'}{a}}\right)^{2}={\frac {8\pi G}{3}}\rho -{\frac {K}{a^{2}}}$

a הוא מרחק והוא תלוי בזמן, $\rho$ (האות הלטינית רו) הוא הצפיפות וגם הוא תלוי בזמן, ו-$K$ הוא קבוע. צד שמאל של המשוואה הוא בעצם קבוע האבל בריבוע. מכאן אפשר לחלץ את הצפיפות הקריטית, שהיא הצפיפות $\rho$ כש-$K$ שווה לאפס:

גרף התפשטות היקום בהתאם למשתנה $\Omega$, שהוא היחס בין צפיפות החומר בפועל לבין הצפיפות הקריטית

$\rho _{crit}={\frac {3H^{2}}{8\pi G}}$ ואומגה הוא היחס בין הצפיפות בפועל לצפיפות הקריטית: $\Omega ={\frac {\rho }{\rho _{crit}}}$

האנרגיה האפלה

עד תחילת המאה ה-20 הדעה המדעית הייתה שהיקום הוא סטאטי ולא משתנה, תמיד היה ותמיד יהיה. משוואות תורת היחסות של איינשטיין מתארות יקום חסר מנוחה שיכול להתכווץ או להתפשט, וכדי לתאר את היקום סטאטי כפי שהיה ידוע אז, איינשטיין הוסיף לנוסחאות פרמטר תיקון. מאחר שכוח הכבידה נוטה למשוך דברים זה אל זה, הוא הניח קיומה של אנרגיה נגדית כלשהי שמאזנת בדיוק את כוח הכובד וגורמת ליקום להישאר כפי שהוא. לצפיפות האנרגיה המסתורית הוא קרא "הקבוע הקוסמולוגי", המסומן באות למדא, $\Lambda$. התיקון היה מיותר, כי כעבור כעשר שנים בלבד התגלה שהיקום מתפשט, מה שזכה לכינוי חוק האבל. משוואות תורת היחסות ללא התיקון מבטאות זאת. הקבוע הקוסמי נזנח, אבל בסוף המאה ה-20 הוא זכה לעדנה מחודשת, כשהתגלה שלא זו בלבד שהיקום מתפשט אלא שקצב ההתפשטות הולך ומאיץ.

הסיבה להאצת ההתפשטות אינה ידועה, נראה שהמרחב אינו ריק אחרי הכל והוא מכיל בתוכו אנרגיה אנטי כבידתית מסתורית, שהיא חלק אינהרנטי מתכונות המרחב. לפי תצפיות נראה שמהירות ההתפשטות ירדה תחילה, ורק לפני כ-6 מיליארד התחילה להאיץ.

חישובים מראים שכ-68% מכמות החומר והאנרגיה ביקום הוא אנרגיה אפלה, 27% אחוז הוא החומר האפל, ומה שנשאר הוא 5% מהיקום שעשוי מחומר באריוני, כלומר חומר ממשי כמו כוכבים, גלקסיות, גז וכולי. האנרגיה האפלה הומוגנית בכל היקום. היא מושפעת רק מכוח הכבידה. הצפיפות שלה נמוכה עד מאוד, כ-${10}^{-27}$ ק"ג (בערך אטום מימן) למטר מעוקב, לכן הסיכוי לגלות אותה בצורה אמפירית הוא קלוש. אבל אף שצפיפות האנרגיה האפלה היא כמעט אפסית, השפעתה אדירה משום שהיא מפוזרת באופן אחיד בכל המרחב, ומרכיבה את רוב החומר/אנרגיה ביקום. מוזר אף יותר שצפיפות האנרגיה האפלה אינה יורדת כשהיקום מתרחב. פירוש הדבר הוא שככל שהיקום מתרחב כך נוספת לו עוד מאותה אנרגיה אפלה מסתורית.

תרחישים אפשריים

הקריעה הגדולה

The Big Rip – אם האצת ההתפשטות תמשיך, צפיפות החומר תלך ותרד וצפיפות האנרגיה האפלה תעלה, הלחץ האנטי כבידתי יתגבר, גלקסיות יתחילו להתפזר ואחריהן הכוכבים יתפוררו לאבק. היקום הנראה ילך ויתכווץ ככל שמהירות ההתפשטות תעלה, כי פוטון שרגע לפני כן היה קרוב, יהיה ברגע הבא במרחק עצום מעבר לאופק האירועים. האנרגיה האפלה תגבר על האלקטרומגנטיות ואטומים יתייננו, אחריהם ייכנע הכוח החזק וגרעיני אטומים יפורקו למרכיביהם. היקום יהפוך לסינגולריות כבידתית הפוכה, סינגולריות שהאנטי-כבידה בה אינסופית.

המעיכה גדולה

תרחיש המעיכה הגדולה הפוך לתרחיש התלישה הגדולה, התפשטות היקום תאט עד שתעצר ותתחיל לחזור אחורה, היקום יתכווץ יותר ויותר, הטמפרטורה תעלה והוא יעבור בהילוך חוזר את כל התהליכים שעברו עליו, עד שישוב למצב של פלזמה לוהטת ודחוסה ולבסוף יתכנס לנקודה הסינגולרית. מכאן הוא עשוי להמשיך להתנודד לנצח בין מפץ גדול ומעיכה. תרחיש זה אינו סביר לאור קיומה של אנרגיה אפלה.

הקיפאון הגדול

תרחיש אמצע שבו היקום ממשיך להתפשט עד אינסוף בלי להאיץ או להאט. הכוכבים והגלקסיות יתרחקו זה מזה, הטמפרטורה ביקום תלך ותרד, כוכבים ימצו את דלק המימן שלהם וייכבו. כל כוכב יתרחק מכל האחרים ויהיה מבודד ומוקף שמיים שחורים כששאר היקום מעבר לאופק האירועים שלו. לפי מספר תאוריות תתחיל דעיכת פרוטונים – היקום יהפוך את הגז הבין כוכבי שנותר לפוטונים ולפטונים (כגון אלקטרונים ופוזיטרונים). חלק מהאלקטרונים והפוזיטרונים יתאיינו ויפלטו פוטונים. במקרה זה היקום יהפוך לאמבטיה של חלקיקים וקרינה חלשה עם מקסימום אנטרופיה בשיווי משקל תרמודינמי, ששום תהליך שמעלה את האנטרופיה לא יכול להתרחש בה יותר. לכן תרחיש זה נקרא גם "מות החום".

ראו גם

• לוח שנה קוסמי

קישורים חיצוניים

• טל קוולר, האם היה זמן לפני המפץ הגדול?, באתר ynet, 11 במאי 2018