מחקר חדש מערער על הקבוע של האנרגיה האפלה

מה קורה?

מחקר חדש מציב סימן שאלה סביב אחת מההנחות המרכזיות בקוסמולוגיה המודרנית: שהאנרגיה האפלה, הכוח המשוער שאחראי להאצת התפשטות היקום, מתנהגת כקבוע קוסמי שאינו משתנה. לפי הכיוון הנבחן כעת, ייתכן שהרכיב הזה אינו יציב כלל, ובמהלך ההיסטוריה של היקום אף עבר שינוי סימן — תרחיש שעשוי לשנות את האופן שבו פיזיקאים מתארים את האבולוציה של היקום בקני מידה עצומים.

עם זאת, גם אם ההצעה הזו נכונה או לפחות ראויה לדיון תיאורטי רציני, היא אינה פותרת את אחת הבעיות הבולטות ביותר בתחום כיום: "מתח האבל". זהו הפער בין מדידות שונות של קצב התפשטות היקום — פער שממשיך להטריד את הקהילה המדעית, משום שהוא עשוי להעיד על חוסר שלמות במודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה.

למה זה קורה?

כדי להבין את הדיון, צריך לחזור ליסודות. כבר קרוב למאה שנה ידוע שהיקום מתפשט. בשנות ה-90 המאוחרות גילו שתי קבוצות מחקר עצמאיות שהתפשטות היקום אינה רק נמשכת, אלא גם מואצת. הקבוצות — פרויקט הסופרנובה לקוסמולוגיה בראשות סול פרלמוטר, וצוות חיפוש הסופרנובות עתירות ההסחה לאדום בראשות בריאן שמידט ואדם ריס — ביססו ממצא שטלטל את הפיזיקה וזיכה את מוביליהן בפרס נובל לפיזיקה ב-2011.

ההסבר המרכזי שניתן מאז להאצה הזו הוא האנרגיה האפלה. במסגרת המודל המקובל, היא מיוצגת באמצעות קבוע קוסמולוגי, המכונה למבדה. כאשר מצרפים את למבדה לחומר אפל קר, מתקבל מודל ה-LCDM — המסגרת התיאורטית ששולטת בקוסמולוגיה זה כרבע מאה. המודל הזה מצליח להסביר היטב שורה ארוכה של תצפיות, ולכן כל אתגר שמופנה אליו זוכה לתשומת לב רבה.

הרעיון שהאנרגיה האפלה עשויה להשתנות בזמן נולד מהניסיון לבחון אם הנחות גמישות יותר יכולות להסביר טוב יותר נתונים אסטרונומיים, ואולי גם לגשר על מתחים קיימים בין שיטות מדידה שונות. שינוי סימן של האנרגיה האפלה הוא אפשרות קיצונית במיוחד, משום שהוא מרמז שהשפעתה על היקום לא הייתה אחידה לכל אורך ההיסטוריה הקוסמית.

מה ההיסטוריה?

הקבוע הקוסמולוגי אינו רעיון חדש. אלברט איינשטיין הכניס אותו למשוואות תורת היחסות הכללית, ובהמשך נזנח למשך שנים ארוכות. גילוי ההאצה בהתפשטות היקום החזיר אותו למרכז הבמה. מאז, למבדה הפכה לרכיב יסוד בתמונה הסטנדרטית של היקום, לצד חומר רגיל, חומר אפל וקרינת הרקע הקוסמית.

אלא שבשנים האחרונות התמונה הזו נסדקה בכמה נקודות. הבולטת שבהן היא מתח האבל: כאשר מודדים את קצב ההתפשטות של היקום על סמך היקום הקדום, למשל באמצעות קרינת הרקע, מתקבלת תוצאה אחת; כאשר מודדים אותו ביקום הקרוב, למשל דרך סופרנובות וכוכבים משתנים, מתקבלת תוצאה אחרת. אם הפער הזה אינו נובע משגיאות שיטתיות, ייתכן שהוא מצביע על פיזיקה חדשה.

על הרקע הזה, כל הצעה שמרככת את הנחת הקביעות של האנרגיה האפלה נתפסת כמועמדת טבעית לבדיקה. במשך השנים הועלו מודלים שונים של אנרגיה אפלה דינמית, אך עד כה אף אחד מהם לא הצליח לבסס חלופה מוסכמת ל-LCDM. העובדה שגם תרחיש של היפוך סימן אינו מעלים את מתח האבל מחזקת את התחושה שהפתרון, אם קיים, כנראה מורכב יותר.

מה המשמעות?

המשמעות המיידית של המחקר אינה קריסה של המודל הקוסמולוגי המקובל, אלא הרחבה של גבולות הדיון. מודל ה-LCDM נשאר בשלב זה מסגרת העבודה המרכזית של התחום, בעיקר משום שהוא עדיין מספק התאמה טובה למגוון רחב מאוד של תצפיות. אבל עצם הבחינה של תרחישים שבהם האנרגיה האפלה אינה קבועה מעידה עד כמה עמוקה אי-הנחת מן ההסבר הקיים.

הנקודה החשובה ביותר היא שמתח האבל עדיין עומד במרכז. אם גם שינוי דרמטי באופן שבו מתארים את האנרגיה האפלה אינו מעלים את הפער, ייתכן שהפתרון יימצא במקום אחר — בנתונים, בשיטות המדידה או ברכיב תיאורטי נוסף שחסר כיום בתמונה. מבחינת הקוסמולוגיה, זהו מסר כפול: מצד אחד, יש נכונות גוברת לבחון מחדש הנחות יסוד; מצד שני, הבעיה המרכזית עדיין לא נפתרה, והמודל הישן ממשיך להחזיק מעמד למרות הלחץ.