האטרקציה הגדולה – מדוע עשרות אלפי גלקסיות נוהרות לעבר איזור מסוים

לאן מועדות פנינו, היא שאלה שאפשר לענות עליה בדרכים שונות,
אבל האמת היא, שבסקאלת קיום יקומית, אנחנו (כלומר, כדור-הארץ שעליו
אנו חיים) מבצעים כל-כך הרבה תנועות, עד שקשה מאוד לחשב את כיוון
התקדמותנו הכללי.

כדור-הארץ מסתובב סביב צירו, נע במסלול היקפי סביב השמש, משתתף
(יחד עם כל מערכת השמש) בתנועה סביב צירה של הגלקסיה, ויחד עם כל
הגלקסיה, הוא נע במהירות ביחס לגלקסיות אחרות. תנועה אחרונה זו,
שהיא, למעשה, התרחקות מתמדת של הגלקסיות זו מזו, נובעת מאנרגיית
ההתפשטות של המפץ הגדול, הנמשכת עד היום.

בנוסף לכל התנועות הללו, מתברר שהגלקסיה שלנו משתתפת
בתנועה נוספת. מתברר שלפחות כמה עשרות אלפי גלקסיות, בגזרה רחבה
למדי של היקום, נוהרות במהירות לעבר אזור מסוים, שכונה על-ידי
החוקרים "האטרקציה הגדולה". הבנת התופעה הזאת, עשויה לקדם את הבנתנו
באשר למבנה היקום, הכוחות הפועלים בו, וגם באשר לדרך שבה הוא יגיע
לקיצו: האם היקום יתפשט לנצח, האם יקרוס ויתרסק בסופו של דבר, או
שבשלב כלשהו הוא יגיע לשיווי משקל עדין, של קיום על הסף, בין
התפשטות נצחית לריסוק.

האטרקציה הגדולה התגלתה הודות ליכולת להפריד את מהירותן הכללית של
הגלקסיות, שכאמור מתרחקות מאתנו ללא הרף, לשני מרכיבים: הראשון נובע
מההתפשטות הכוללת של המפץ הגדול, והשני, נובע מכוחות משיכה אדירים,
מקומיים, שמקורם בגלקסיות שכנות, או בריכוזי חומר אחרים, שאינם
נראים.

עד כה, נמדדה מהירות התנועה של הגלקסיות (מאיתנו והלאה),
בטכניקה של מדידת אורך הגל של אור הגלקסיה, וקביעת המידה שבה האור
הזה נוטה לעבר הקצה הארוך של סקאלת גלי האור, הקצה האדום. מדידה זו
מבוססת על תופעת דופלר (הקרויה על שמו של הפיסיקאי שגילה אותה,
האוסטרי ק"י דופלר, שחי במאה התשע-עשרה). תופעת דופלר אומרת שככל
שהגלקסיה מתרחקת מאיתנו מהר יותר, האור המגיע אלינו ממנה, יהיה בעל
אורך גל ארוך יותר. כלומר, ככל שאור של גלקסיה הוא אדום יותר, היא
מתרחקת מאיתנו, או "בורחת" מאיתנו, במהירות גדולה יותר.

שיטת מדידה זו, מתייחסת למהירותה הכוללת של הגלקסיה המתרחקת,
ואינה מאפשרת חישוב נפרד של כוחות שונים המשפיעים על מהירותה וכיוון
התקדמותה של הגלקסיה. למשל, בטכניקה זו אי-אפשר לגלות את כוחות
המשיכה שהגלקסיות השכנות, או צבירי הגלקסיות, מפעילים אלה על אלה.
.
השיטה של שבעת הסמוראים
.
מצב דברים זה השתנה באחרונה, כאשר קבוצה של שבעה אסטרונומים
תצפיתנים מארה"ב ובריטניה, שחבריהם הפיסיקאים הדביקו להם את הכינוי
"שבעת הסמוראים", גילו במשותף דרך חדשה למדוד את מרחקיהן
ומהירויותיהן של הגלקסיות. בראש קבוצת שבעת הסמוראים עומדים פרופ'
סאנדרה פאבר מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה-קרוז, ופרופ' דונאלד
לינדן-בל מאוניברסיטת קימברידג', בריטניה. שיטת המדידה שפיתחו
שבעת הסמוראים אינה מבוססת על מידת ההסחה לאדום באורה של
הגלקסיה, אלא על תצפית המשלבת מרכיבים אופטיים שונים, כולל
אינפרא-אדום (המודדים את גודל הגלקסיה ואת עוצמת ההארה שלה), עם
מרכיבים המבוססים על קליטה וניתוח של גלי רדיו הנפלטים מהגלקסיות
(המשמשים למדידת מהירויותיהם של הכוכבים וענני הגז שבתוך הגלקסיה).

שבעת הסמוראים וחבריהם צפו ביותר מ-1,000 גלקסיות וצבירי
גלקסיות עד לאופק צפייה במרחק של 200 מיליון שנות אור מאתנו. מכיוון
שטכניקת המדידה החדשה אינה מבוססת על הסחת אורך הגל הכולל של
הגלקסיה לעבר הצד האדום של סקאלת האור, הצליחו החוקרים להבחין בין
תנועת ההתפשטות הכוללת של היקום, לבין התנועה המקומית של הגלקסיות,
שכונתה "מהירות השארית".

כדי לחשב את מהירות השארית, ולמצוא את הכיוון המדויק שאליו
היא דוחפת את הגלקסיות, חישבו את מהירותה הכוללת של הגלקסיה
(באמצעות השיטה הישנה, המבוססת על ההסחה לאדום). אחר כך חישבו את
מהירות הגלקסיה הנובעת מאנרגיית ההתפשטות של המפץ הגדול. חישוב זה
מבוסס על ידיעת מקומה של הגלקסיה ביקום, ועל העיקרון האומר, שככל
שהגלקסיות רחוקות ממרכז המפץ, הן מתרחקות ממנו במהירות גדולה יותר.
כלומר, אם אתה יודע את מיקומה של גלקסיה, אתה יכול לחשב ולמצוא מה
צריכה להיות מהירות ההתרחקות שלה ביחס אלינו. עכשיו מפחיתים
מהמהירות הכוללת (כפי שנמדדה באמצעות ההסחה לאדום), את המהירות
הנובעת רק מאנרגיית ההתפשטות של המפץ הגדול (שחושבה בדרך המתוארת).
ההפרש בין השתיים, הוא מהירות השארית, הנגרמת על-ידי אותו גורם לא
ידוע.

שבעת הסמוראים חישבו ומצאו את מהירות השארית של הגלקסיות ביחס
אלינו. אבל, בשל אופיה של התצפית האופטית, שבוצעה ממקום אחד ביקום
)כדור-הארץ), לאורך קו הראייה שבין כדור-הארץ לגלקסיה הנצפית,
מתארים הממצאים שלהם את מהירויות השארית של הגלקסיות, באופן
חד-ממדי. כלומר, הם אינם מתארים נכונה את עוצמתן וכיוונן של
מהירויות השארית במרחב התלת-ממדי המוכר לנו.
.
הפוטנציאל של הפוטנטים
.
כדי ליצור תמונת מצב תלת-ממדית, התואמת ככל האפשר את המציאות,
עבר בשלב זה שרביט המחקר לקבוצה של אסטרופיסיקאים תיאורטיים,
שכונו על-ידי עמיתיהם "קבוצת פוטנט", מכיוון שהם הרבו
לעסוק בפוטנציאל הכבידה השונה של איזורים שונים ביקום. בהמשך ניתן
להם הכינוי "הפוטנטים", וקבוצות מחקר אחרות בעולם, כונו בעקבות זאת
"אימפוטנטים "ו"אומניפוטנטים", לפי התייחסותם לגישה ה"פוטנטית".

ה"פוטנטים"ניסו והצליחו לפתח דרך לחישוב הרכיבים הנעלמים
של מהירות השארית של כל גלקסיה, בממדים שהיו חסרים בממצאים
החד-ממדיים של שבעת הסמוראים. למעשה, מדובר כאן במעין ניחוש של
רכיבי התנועה הנעלמים, מתוך הרכיבים הידועים. הניחוש הזה מבוסס,
בין היתר, על הנחה שגורם התנועה הזאת הוא כוח כבידה, ועל הבנה עמוקה
של הדרך שבה פועל כוח זה.

המערכת הממוחשבת שפיתחו ה"פוטנטים", נוטלת את הממצאים
החד-ממדיים של "שבבעת הסמוראים", ומפיקה מהם מפה תלת-ממדית
המראה את מהירויות השארית האמיתיות של הגלקסיות, ואת כיוון תנועתן (הנובע
מהמהירות הזאת), במרחב התלת-ממדי. מפה זו מראה את הגלקסיות כחצים
קטנים, הפונים לכיוון שאליו הן נעות מכוחה של מהירות השארית, כאשר
חץ ארוך מציין מהירות שארית גדולה יחסית, וחץ קצר, מתאר מהירות
שארית קטנה יותר. אורך החץ נקבע גם על-ידי מהירות הגלקסיות
בממדים שאינם נראים במפה המישורית, כך שהמפה הסופית נותנת למעשה
תמונת מצב המתארת את מהירות השארית של הגלקסיות במרחב התלת-ממדי.
המפה הזאת מציגה תמונה ברורה למדי, של גלקסיות וצבירי גלקסיות,
הנוהרים לאיזור מסוים ביקום, כמעט כמו בני-אדם רבים הממהרים לעבר
שער היציאה מהאיצטדיון.

המטרה הראשית של האסטרופיסיקאים, היא להבין את מבנה היקום,
ואת הדרך שבה הוא התפתח מהמפץ הגדול ועד למצב ולמבנה הנוכחיים.
במסגרת הניסיונות להשיג את ההבנה הזאת, הם בונים מודלים שונים של
מבנה ושל התפתחות היקום, ואז, מריצים במחשב תוכנית הדמייה, הבוחנת
כיצד היקום היה צריך להיראות ולהתנהג לפי המודל הזה, בנקודות זמן שונות.
מודל תיאורטי כזה, שיראה את היקום בן-זמננו אחרת מכפי שאנחנו רואים
אותו בתצפיות אמיתיות – נפסל מיד. עכשיו למשל, כל מודל שלא יראה כיצד
מתפתחת התופעה של "האטרקציה הגדולה" ונהירת הגלקסיות לעברה במשך
הזמן מהמפץ הגדול ועד עכשיו – ייפסל. לכן, כל גילוי של תופעה חדשה,
עשוי לאפשר למדענים לפסול עוד מודלים, וכך, על דרך השלילה, להגיע ולמצוא
את המודל המתאר בדרך הטובה ביותר את הדרך שבה התפתח היקום עד שהגיע
למבנהו הנוכחי.

הנחת היסוד של הקוסמולוגיה המודררנית אומרת, שהיקום הוא
הומוגני ואיזוטרופי. כלומר, לשום מקום בו, אין ייתרון ואין ייחוד
לעומת מקומות אחרים. עם זאת, ברגעיו הראשונים של היקום חלו בו מעין
הפרעות זעירות, שעם הזמן, ובצירוף כוחות הכבידה והשפעות נוספות,
התעצמו והלכו, עד שכיום הן מתבטאות בתופעות כמו המשיכה הגדולה.

אחד הגורמים לתנועה הזאת, יכול להיות כוח כבידה הנובע מחומר
אפל המצוי אי-שם ביקום. כידוע, אנרגיית ההתפשטות של המפץ הגדול מאטה
והולכת כתוצאה מכוחות הכבידה של הגלקסיות. עדיין קשה לדעת אם בסופו
של דבר תגבר אנרגיית המפץ והיקום יתפשט לעד, או שכוח הכבידה יגבר,
ואז, בשלב מסוים, יתחיל היקום להתכווץ, עד שיגיע ל"קריסה הגדולה",
ההיפוך של המפץ הגדול. התשובה לשאלה זו תלוי בכמות החומר שביקום.
כמות גדולה של חומר מפעילה כוחות כבידה גדולים יותר, מה שעלול
להביא, בסופו של דבר, לקריסה. היעדר כמות מספיקה של חומר, תאפשר
לאנרגיית המפץ להביא להתפשטות היקום לעד.

דבר אחד ברור: כמות החומר הנראה היום ביקום, קטנה פי מאה,
בערך, מכמות החומר הדרושה כדי לעצור את התפשטות היקום. אבל, מבנה
היקום הנוכחי לא יכול היה להגיע למצבו העכשווי, אילו באמת החומר
הנראה לנו היה כל החומר שביקום. המסקנה :אי-שם ביקום, מצויה כמות
גדולה מאוד של חומר, שאינו נראה לעינינו. חומר זה (שטיבו עדיין אינו
ברור), מכונה על-ידי האסטרופיסיקאים "חומר אפל". אבל, למרות הוכחות
נסיבתיות לא מעטות למציאותו של חומר אפל ביקום, עדיין אין בידי
החוקרים תשובות לשאלות כמו מהו, בדיוק, החומר האפל, היכן הוא נמצא,
ומה כמותו (שאלה שהתשובה עליה עשויה לחרוץ את גורל היקום להתפשטות
נצח או לקריסה, או לשיווי משקל עדין בין השתיים).

החוקרים משערים כי כוח הכבידה של החומר האפל, הגביר את ההפרעות
הקטנות והמעטות שנוצרו ברגעי הקיום הראשונים של היקום, עד שבשלב
מסוים, נוצרו הזרימות החזקות של הגלקסיות, כמו תופעת המשיכה הגדולה
שהתגלתה על-ידי שבעת הסמוראים, והפוטנטים. לפיכך, תגלית זו עשויה
לקדם את החיפוש אחר החומר האפל, מה שעשוי לתת בידינו את התשובה
לשאלת סופו של היקום.