קוסמולוגיה

קוֹסְמוֹלוֹגְיָה (מיוונית: κοσμολογία "קוסמוס"=יקום, "לוגיה"=תורה) היא ענף של אסטרופיזיקה שמטרתו לחקור את מבנה היקום וההיסטוריה שלו.

פירוש משמעותי יותר למילה "קוסמולוגיה" מבוסס על העובדה שהיא נגזרת מהמילה היוונית - kosmeo, שמשמעותה "סדר" או "ארגון". היוונים האמינו שאפשר להבין את העולם, וכי הוא ראוי לארגון ולסדר אנליטיים. הם הבחינו בדפוסים הקיימים ביקום ושאפו לארגן ולסדר אותם.

האדם עסק בשאלות של מהות היקום ומקומו בו כבר משחר ההיסטוריה, אך לא היה יכול לקבל תשובות בדרך מדעית. ניצנים של קוסמולוגיה מדעית נראו בפילוסופיה היוונית, אך לרשות היוונים לא עמד ציוד מתאים כדי להוכיח את התאוריות שלהם. עם זאת, אריסטרכוס מסמוס, אריסטו ותלמי הציגו תאוריות קוסמולוגיות חשובות והתאוריה הגאוצנטרית של תלמי אומצה כהסבר המקובל לתנועת גרמי השמיים עד אשר ניקולאוס קופרניקוס, טיכו ברהה, יוהאנס קפלר וגלילאו גליליי החליפוה במאה ה-16 בתאוריה ההליוצנטרית למרות התנכלות מצד הכנסייה הקתולית.

את התאוריה ההליוצנטרית, שהארץ מקיפה את השמש ולא להפך, הגה לראשונה במאה ה-5 לפנה"ס פילולאוס איש קרוטון, תלמיד האסכולה הפיתגוראית. במאה ה-4 לפנה"ס הסתמך על הרעיון של פילולאוס הרקלידס איש פונטוס, אשר חבריו חשבו אותו למשוגע בעקבות הפרדוקס שיצר בתאוריה שלו. את התמונה המלאה והמדויקת באופן מעורר התפעלות של התאוריה ההליוצנטרית הגה וגיבש הפילוסוף היווני אריסטרכוס מסאמוס במאה ה-3 לפנה"ס ועליה ניתן ללמוד מתיעוד שכתב עליו ארכימדס: "הוא (אריסטרכוס) שיער שכוכבי השבת והשמש עומדים בלי נוע, שהארץ נישאת מסביב לשמש על היקף של מעגל".

במאה העשרים התפתחה הקוסמולוגיה כמדע לגיטימי.

ממדי היקום

גלילאו גליליי היה כנראה הראשון שהפנה טלסקופ לשמי הלילה. כך גילה ששביל החלב מורכב מהמונים של כוכבים. בכך היה הראשון שהרחיב את תמונת היקום של האדם מעבר למערכת השמש וכ־6000 כוכבים הנראים לעין בלתי מזוינת.

גלילאו סבר שלכוכבים בהירות שווה למדי, ולכן שיער שככל שכוכב בהיר יותר כך הוא קרוב יותר. הוא ניסה למדוד את המרחק לכוכב הבהיר וגה בקבוצת נבל בשיטת הפרלקסה, אבל רמת הדיוק המוגבלת של מכשיריו הפכה את המשימה לעקרה.

משימה פחות שאפתנית הייתה לגלות מהו המרחק בין הארץ לכוכבי הלכת. ג'ובאני קאסיני מדד ב־1673 את המרחק למאדים. על מנת לקבל קו בסיס ארוך דיו הוא שילח את עמיתו ז'אן רישר לגויאנה. התוצאה שקיבל - כ־140 מיליון קילומטר - סוטה בפחות מ־10% מהתוצאות בנות ימינו.

לראשונה נמדד מרחק לכוכב אחר ב־1838. פרידריך בסל מדד את המרחק לכוכב הסמוך 61 בקבוצת ברבור בשיטת הפרלקסה, בהשתמשו בקוטר מסלול כדור הארץ כקו בסיס. התוצאה שהתקבלה, כ־11 שנות אור, הבהירה שממדי היקום גדולים בהרבה ממה שנתפס עד אז. עוד באותה שנה נמדד מרחקם של כוכבים נוספים.

סקלת המרחקים שניתן למדוד בשיטת הפרלקסה מוגבלת. בימינו ניתן למדוד מרחקים של עד 250 שנות אור בדיוק טוב, ובמרחק של 1,000 שנות אור דיוק המדידה עומד על 50% בלבד. מעבר ל־1,000 שנות אור אין טעם להשתמש בשיטה זו. מאחר שכוכבים רבים שוכנים מחוץ לטווח זה, היה צורך לפתח שיטות אחרות.

השיטה הבאה התבססה (ועודנה מתבססת) על כוכבי-ענק שבהירותם משתנה במחזוריות מדויקת, שזכו לשם משתנים קפאידים. הנרייטה ליוויט חקרה כוכבים משתני אלו וגילתה, עבור אלו מביניהם שהיו קרובים דיים לחישוב המרחק באמצעות שיטת הפרלקסה, שיש קשר מובהק בין זמן המחזור של כוכב משתנה קפאידי לבהירות המוחלטת שלו. ליויט לא הצליחה לפתח נוסחה ברורה וחד משמעית שתאפשר להסיק את הבוהק המוחלט מתוך זמן המחזור, שכן בתקופתה לא היו די נתונים על מנת להבין שמשתנים קפאידים משתייכים לשתי קבוצות שונות ונבדלות. את הנוסחה, שבה משתמשים בשינויים קטנים עד היום, פיתח אדווין האבל.

נוסחה זו נתנה בידי האבל כלי מדידה רב עוצמה. בזהותו קפאיד מרוחק היה מודד את זמן המחזור שלו, מסיק את הבוהק האמיתי שלו, ומהשוואה בין הבוהק האמתי לבוהק הנראה קל היה לחשב את המרחק. כך ניתן היה לחשב את ממדי הגלקסיה, והסתבר שמדובר בעשרות אלפי שנות אור (כיום ההערכה היא כ־100,000 שנות אור).

לאחר מדידות אלו נחלקו האסטרונומים לשתי קבוצות. אחת טענה שהגלקסיה שלנו - שביל החלב - היא כל היקום, ומנגד היו שטענו שחלק מהערפיליות שנצפו הן גלקסיות נפרדות. בשתי הקבוצות התייצבו אסטרונומים ידועים ומשפיעים. בשנת 1920 התקיימה הפלוגתא הגדולה באוניברסיטת קיימברידג' והסתיימה ללא מסקנה נחרצת. תשע שנים מאוחר יותר פרסם האבל שהצליח לבודד קפאידים בחלק מה"ערפיליות" ומדידת המרחק אליהן העלתה תוצאות של מיליוני שנות אור. כך הסתבר מעבר לכל ספק שמדובר בגלקסיות אחרות, וממדי היקום צמחו מכמה עשרות אלפים לעשרות מיליוני שנות אור.

את הצעד הבא ביצע, שוב, האבל. הוא גילה שיש קשר בין ההסחה לאדום של גלקסיות ומרחקן מאיתנו. כך התגלה שהיקום מתפשט, ולימים צמחה מכך תאוריית המפץ הגדול.

ראו גם

• המצב היציב
• קוסמוגוניה
• גורל היקום
• אסטרופיזיקה

לקריאה נוספת

• Scott Soselson, Modern Cosmology, Academic Press, 2003. מסת"ב 0122191412
• Michael Rowan-Robinson, Cosmology, 4th edition, Clarendon Press, 2004. מסת"ב 0198527470