למה 21 ס"מ הוא "האורך המופלא" של היקום שלנו

מאת: Ethan Siegel

מקור: BigThink

ביקום שלנו, מעברים קוונטיים הם הכלל המכתיב כל תופעה גרעינית, אטומית ומולקולרית. בניגוד לכוכבי לכת במערכת השמש שלנו, שיכולים להקיף את השמש במרחק כלשהו אם יש להם את המהירות המתאימה, הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים שמרכיבים את כל החומר המוכר לנו יכולים להיקשר יחד רק בקבוצה מוגבלת של תצורות. האפשרויות הללו, על אף שהן רבות, הן סופיות, כיוון שכללי הקוונטים המכתיבים את האלקטרומגנטיות והכוחות הגרעיניים מגבילים את האופן שבו גרעיני אטום והאלקטרונים הסובבים אותם יכולים להסתדר.

מפת גלקסיית M81 הזו, שנבנתה מנתונים שנאספו באמצעות מערך הרדיו הענק (Very Large Array), ממפה את הגלקסיה הספירלית יוצרת-הכוכבים הזו באמצעות פליטת קרינה באורך גל של 21 סנטימטרים. מעבר היפוך הספין במימן, הפולט אור בדיוק באורך גל של 21 סנטימטרים, הוא במובנים רבים האורך החשוב ביותר לקרינה בכל היקום / Credit: NRAO/AUI/NSF

בכל היקום, האטום הנפוץ ביותר הוא מימן, המורכב מפרוטון אחד ואלקטרון אחד. בכל מקום שבו נוצרים כוכבים חדשים, אטומי מימן מיוננים, וחוזרים להיות ניטרליים כאשר אלקטרונים חופשיים מצליחים להתחבר שוב לפרוטונים חופשיים. למרות שהאלקטרונים נוטים לקפוץ מרמות אנרגיה גבוהות לנמוכות עד שיגיעו למצב היסוד, תהליך זה פולט לרוב פוטונים בתחום האינפרא-אדום, האור הנראה והאולטרה-סגול בלבד. אך חשוב יותר - מתרחש מעבר מיוחד במימן שמייצר אור באורך גל של כ-21 סנטימטרים, כלומר בערך באורך של כף יד. אפילו כפיזיקאי יהיה מוצדק אם תקראו לזה "האורך המופלא" של היקום שלנו, שכן ייתכן שיום אחד הוא יפתח בפנינו את הסודות העמוקים ביותר של היקום - אזורים שאור כוכבים לעולם לא יוכל לברוח מהם.

מוארת באור אחורי על ידי קרינת הרקע הקוסמית, עננת גז ניטרלי יכולה להטביע אות על אותה קרינה באורך גל והסחה לאדום מסוימים. אם נצליח למדוד את האור הזה ברגישות גבוהה מספיק, נוכל בעתיד למפות את מיקומם וצפיפותם של ענני גז ברחבי היקום - תודות למדע האסטרונומיה של 21 הסנטימטרים. ירידה בטמפרטורת הבהירות בהסחה לאדום של 15–20, שנצפתה בשנת 2018, עשויה לנבוע בדיוק מהשפעת פליטת 21 הסנטימטרים, אם כי נדרשת יכולת מדידה טובה יותר ודוגמאות תצפיתיות נוספות כדי לאשר באופן סופי את הטענה לגילוי זה / Gianni Bernardi, via his AIMS talk

כאשר מדובר באור ביקום, אורך הגל הוא המאפיין העקבי ביותר שיכול לחשוף כיצד נוצר אותו אור. אף שאור מגיע אלינו בצורת פוטונים - קוונטים בודדים שיוצרים יחד את התופעה שאנו מכנים אור - ישנם שני סוגים שונים של תהליכים קוונטיים שמייצרים את האור הסובב אותנו: תהליכים רציפים ותהליכים בדידים.

תהליך רציף הוא כמו האור הנפלט מהפוטוספירה של השמש: גוף כהה שמחומם לטמפרטורה מסוימת ופולט אור בכל מגוון אורכי הגל האפשריים לפי אותה טמפרטורה - תופעה הידועה כקרינת גוף שחור. בפועל, כיוון ששכבות שונות בפוטוספירה נמצאות בטמפרטורות שונות, ספקטרום השמש הוא למעשה סכום של כמה קרינות גוף שחור גם יחד - ערבוב של תהליכים רציפים.

לעומת זאת, תהליך בדיד אינו מאפשר פליטה של אור בכל אורך גל אפשרי, אלא רק באורכי גל מאד מסוימים, בדידים (וקוונטיים). דוגמה טובה לכך היא האור הנבלע על ידי האטומים הנייטרליים בשכבות החיצוניות הקיצוניות של השמש. כאשר קרינת הגוף השחור מהפוטוספירה התחתונה פוגעת באטומים אלה, רק פוטונים עם אורכי גל מתאימים בדיוק ייספגו על ידי האלקטרונים באטומים. כאשר מפרקים את אור השמש לאורך גליו, הקווים הכהים שנגלים כנגד הרקע הרציף של קרינת הגוף השחור חושפים את שני התהליכים הללו.

ספקטרום אור נראה של השמש, המסייע לנו להבין לא רק את הטמפרטורה והיינון שלה, אלא גם את שפע היסודות הקיימים בה. הקווים הארוכים והעבים מייצגים מימן והליום, אך כל קו אחר מקורו ביסוד כבד - יסוד שחייב היה להיווצר בכוכב מדור קודם, ולא במפץ הגדול הלוהט / N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

לכל אטום בודד יש תכונות המוגדרות בראש ובראשונה על ידי גרעינו, המורכב מפרוטונים (הקובעים את מטענו החשמלי) ומנייטרונים (שבשילוב עם הפרוטונים קובעים את מסת האטום). לאטומים יש גם אלקטרונים, המקיפים את הגרעין במרחק שנקבע על פי יחס המטען-למסה שלהם, וכל אלקטרון יכול להימצא רק ברמות אנרגיה מסוימות. כאשר האטום נמצא בבידוד, הוא ייטה להגיע למצב היסוד: שבו האלקטרונים נעים כלפי מטה אל הרמות הנמוכות ביותר האפשריות, מוגבלים רק על ידי חוקי הקוונטים הקובעים אילו תכונות מותרות ואילו אסורות לאלקטרונים.

אלקטרונים יכולים לאכלס תחילה את מצב היסוד - אורביטל 1s - שיכול להכיל עד שני אלקטרונים. רמת האנרגיה הבאה (n=2) כוללת את האורביטל הספירי 2s ואת שלושת אורביטלי ה-2p, שיכולים להכיל שניים ושישה אלקטרונים בהתאמה - ובסך הכול שמונה. הרמה השלישית סביב גרעין האטום יכולה להכיל עד 18 אלקטרונים: שניים ב-3s, שישה ב-3p, ועוד עשרה ב-3d. גם כאן האלקטרונים ממלאים קודם את המקומות הקרובים יותר. כשאלקטרון "קופץ" לשכבה גבוהה יותר, זה בדרך כלל קורה כי הוא קלט פוטון שמתאים בדיוק באנרגיה. אחר כך, כשהוא חוזר למקום נמוך יותר, הוא משחרר פוטון באותו אורך גל - ולכן האור שנפלט תואם בדיוק לאור שנבלע קודם. ככה נוצר הספקטרום של האטום.

מעברי האלקטרונים באטום המימן, יחד עם אורכי הגל של הפוטונים הנפלטים בעקבותיהם, ממחישים את השפעת אנרגיית הקשר ואת הקשר שבין האלקטרון לפרוטון בפיזיקה הקוונטית. המודל של בוהר לאטום מספק את המבנה הגס (או הראשוני) של רמות האנרגיה הללו. המעבר האטומי הבהיר ביותר של המימן הוא ליימן-אלפא (מעבר מ-n=2 ל-n=1), אך המעבר השני בעוצמתו הוא בתחום האור הנראה: בלמר-אלפא (מעבר מ-n=3 ל-n=2), שפולט אור נראה (אדום) באורך גל של 656 ננומטרים. האנרגיה שהאלקטרון מאבד כאשר הוא יורד בין רמות האנרגיה נפלטת בצורת פוטונים / OrangeDog and Szdori/Wikimedia Commons

זהו המבנה הבסיסי של אטום, המכונה לעיתים "מבנה גס" (coarse structure). לדוגמה, כאשר אלקטרון באטום מימן עובר מרמת האנרגיה השלישית לשנייה, נפלט פוטון בצבע אדום, באורך גל מדויק של 656.3 ננומטר - תחום האור הנראה לעין האנושית. עם זאת, קיימים הבדלים זעירים ביותר באורך הגל המדויק של פוטונים שנפלטים במעברים כגון:

• מרמה שלישית ל-2s לעומת 2p.

• כאשר תנע הסיבוב של האלקטרון והתנע הזוויתי האורביטלי שלו מיושרים או מנוגדים.

• כאשר הספין של גרעין האטום והספין של האלקטרון מיושרים או מנוגדים.

יש כללים ברורים בקוונטים בנוגע למעברים מותרים ואסורים. לדוגמה, מותר לעבור מאורביטל d לאורביטל s או p, ומאורביטל s ל-p, אך אסור לעבור מ-s ל-s.

הבדלי האנרגיה הקטנים שמופיעים בין מעברים שונים בתוך אותה רמת אנרגיה מכונים "מבנה דק" (fine structure), הנובע מאינטראקציה בין הספינים של החלקיקים והתנע הזוויתי האורביטלי של האלקטרונים סביב הגרעין. הבדלים אלה משנים את אורך הגל בפחות מ-0.1%, הבדל קטן יחסית אך מדיד ומשמעותי.

המעבר האטומי מאורביטל 6S באטום צזיום-133, Δf₁, הוא המעבר שמגדיר את המטר, את השנייה ואת מהירות האור. שינויים קלים בתדירות הנצפית של אור זה יכולים להתרחש כתוצאה מתנועה ומהשפעות עקמומיות המרחב בין שני מיקומים שונים. אינטראקציות בין ספין לתנע זוויתי, כמו גם כללים קוונטיים שונים ויישום של שדה מגנטי חיצוני, יכולים לגרום לפיצולים נוספים בטווחים צרים בין רמות האנרגיה - דוגמאות למבנה דק ולמבנה על-דק / A. Fischer et al., Journal of the Acoustical Society of America, 2013

עם זאת, בשל התופעות המוזרות שמתרחשות במכניקת הקוונטים, גם מעברים "אסורים" יכולים לעיתים להתרחש. מעברים אלו קורים בשל תופעת מנהור קוונטי, שבה מצב קוונטי יכול לעבור באופן ספונטני למצב קוונטי אחר בעל אנרגיה נמוכה יותר. אמנם לא ניתן להעביר אלקטרון ישירות מאורביטל s לאורביטל s אחר, אבל אם ניתן:

• לעבור מאורביטל s לאורביטל p ואז חזרה ל-s,

• לעבור מאורביטל s לאורביטל d ואז חזרה ל-s,

• או בכלליות, לעבור מאורביטל s לכל מצב מותר אחר ואז לשוב ל-s,

אז המעבר יכול להתרחש. הדבר המוזר במנהור קוונטי הוא שאין צורך שמעבר "אמיתי" יתרחש למצב הביניים. מעברים אמיתיים דורשים אנרגיה, אך גם עם אנרגיה בלתי מספקת, ניתן לעקוף את מצב הביניים לפי כללי הפיזיקה הקוונטית. זה קורה כאשר המעברים מתרחשים באופן וירטואלי (להבדיל ממעברים אמיתיים), כך שנראה רק את המצב הסופי צץ מתוך המצב ההתחלתי - דבר שהיה אסור ללא קיומו של מנהור קוונטי.

זה מאפשר לנו להעמיק מעבר ל"מבנה גס" ו"מבנה עדין" ולהגיע למה שמכונה מבנה על-דק (hyperfine structure). מבנה על-דק מופיע כאשר ספין גרעין האטום ואחד האלקטרונים הסובבים אותו מתחילים במצב "מיושר", שבו שני הספינים פונים באותו כיוון, גם כשהאלקטרון נמצא במצב היסוד (1s), ואז מתרחש מעבר למצב מנוגד, שבו הספינים הפוכים.

בכל פעם שנוצר אטום מימן ניטרלי, האלקטרון שבו יתפרק באופן ספונטני לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר (1s) של האטום. עם הסתברות של 50% לכך שהספינים של האלקטרון והפרוטון יהיו מיושרים, מחצית מהאטומים הללו יוכלו לעבור, באמצעות מנהור קוונטי, למצב שבו הספינים מנוגדים - תוך פליטת קרינה באורך גל של 21 סנטימטרים (1420 מגה-הרץ). תהליך זה אמור לאפשר לנו לחקור צברים של מימן ניטרלי מתקופות מוקדמות אף יותר מהיווצרותם של הכוכבים הראשונים / SKA Organisation

המעבר המפורסם ביותר מסוג זה מתרחש באטום הפשוט ביותר: אטום המימן. באטום שבו יש פרוטון אחד ואלקטרון אחד בלבד, בכל פעם שנוצר אטום מימן ניטרלי והאלקטרון יורד בהדרגה אל מצב היסוד (מצב האנרגיה הנמוכה ביותר), קיימת הסתברות של 50% שהספינים של הפרוטון המרכזי ושל האלקטרון יהיו מיושרים, והסתברות של 50% שהם יהיו מנוגדים.

אם הספינים מנוגדים, זהו מצב האנרגיה הנמוך ביותר; לא קיים מעבר נוסף שיפלוט אנרגיה. אך אם הספינים מיושרים, זהו מצב בעל אנרגיה גבוהה מעט יותר מהמצב המנוגד. אטום מימן שבו הספינים של הפרוטון והאלקטרון פונים באותו כיוון יכול לעבור, באמצעות מנהור קוונטי, למצב הספינים המנוגדים. אף שתהליך המעבר הישיר אסור, המנהור מאפשר לעבור ישירות מהמצב ההתחלתי למצב הסופי, תוך פליטת פוטון.

מעבר זה, בשל אופיו ה"אסור", לוקח זמן רב מאד להתרחש: בערך 10 מיליון שנים עבור האטום הממוצע. אך אורך חיים זה של המצב המעורער-במעט של האטום מאפשר יתרון: הפוטון הנפלט - באורך גל של 21 סנטימטרים ובתדר של 1420 מגה-הרץ - הוא צר ביותר מבחינה ספקטרלית. למעשה, זהו קו המעבר הדק ביותר והמדויק ביותר הידוע בכל תחום הפיזיקה האטומית והגרעינית!

מפה זו של שביל החלב, המוצגת בצבע אדום, ממפה את אטומי המימן הניטרליים באמצעות פליטת קרינה באורך גל של 21 סנטימטרים. המפה אינה אחידה, אלא עוקבת אחר תהליכים של יינון ויצירת אטומים שהתרחשו לאחרונה, שכן זמן מחצית החיים של אטומים בעלי ספינים מיושרים עד להיפוך הוא רק כ-10 מיליון שנה - פרק זמן ארוך בקנה מידה מעבדתי, אך קצר לעומת ההיסטוריה בת ה-13+ מיליארד שנים של הגלקסיה שלנו / J.Dickey/NASA SkyView

אם היינו חוזרים לאחור אל שלביו המוקדמים של המפץ הגדול הלוהט, לפני שנוצרו הכוכבים הראשונים, היינו מגלים כי כ-92% מהאטומים ביקום היו בדיוק ממין זה של מימן: פרוטון אחד ואלקטרון אחד. (בימינו, לאחר 13.8 מיליארד שנים של היווצרות כוכבים, המספר ירד ל-"רק" 90% מהאטומים). ברגע שבו האטומים הניטרליים נוצרו - כמה מאות אלפי שנים לאחר המפץ הגדול - האטומים הללו נוצרו עם סיכוי של 50/50 לספינים מיושרים או מנוגדים. אלו שנוצרו עם ספינים מנוגדים יישארו כך; אלו שנוצרו עם ספינים מיושרים יעברו את מעבר היפוך הספין הזה, תוך פליטת קרינה באורך גל של 21 סנטימטרים.

למרות שטרם הצליחו לבצע זאת, הדבר פותח בפנינו אפשרות מדהימה למדוד את השלבים הקדומים ביותר של היקום באופן שלא התאפשר מעולם. אם נצליח למצוא ענן גז עשיר במימן, אפילו כזה שלא יצר כוכבים, נוכל לאתר את אות היפוך הספין - תוך התחשבות בהתפשטות היקום ובהסחה לאדום של האור - ולמדוד את האטומים מימי ראשית היקום. ההתרחבות היחידה של קו הספקטרום שנצפה תיגרם מאפקטים תרמיים וקינטיים - מתנועת האטומים ומהטמפרטורה הלא-אפסית שלהם.

אם החלקיקים שפולטים קרינה היו נמצאים במנוחה מוחלטת ובטמפרטורה שאינה ניתנת להבחנה מאפס מוחלט, רוחבם של קווי הפליטה היה נקבע אך ורק על ידי מהירות המעבר. קו 21 הסנטימטרים של המימן הוא באופן טבעי צר במיוחד, אך התנועה הקינטית של החומר בגלקסיות, יחד עם האנרגיה התרמית הנובעת מכך שהגז מצוי בטמפרטורה חיובית ולא אפסית, שתיהן תורמות לרוחב הנצפה של קווי הפליטה הללו / Swinburne University of Technology

בנוסף לאותות הקדומים הללו, קרינת 21 הסנטימטרים נוצרת גם בכל פעם שנוצרים כוכבים חדשים. בכל אירוע כזה, הכוכבים החדשים והמסיביים פולטים כמויות עצומות של קרינה על-סגולה: קרינה בעלת מספיק אנרגיה כדי ליינן אטומי מימן. לפתע, אזור שהיה מלא באטומי מימן ניטרליים מתמלא בפרוטונים ואלקטרונים חופשיים.

אך האלקטרונים לא יישארו מיוננים לנצח; אם בסביבה יש מספיק גרעינים חופשיים, בסופו של דבר הם ייתפסו מחדש על ידי הפרוטונים. לאחר שמתו הכוכבים המסיביים ביותר, לא תישאר מספיק קרינה על-סגולה ליינן שוב את האטומים, ואז האלקטרונים ישקעו שוב למצב היסוד - עם סיכוי של 50/50 להיות מיושרים או מנוגדים לספין הגרעין.

ושוב, הקרינה באורך של 21 סנטימטרים תיווצר, לאורך פרק זמן של כ-10 מיליון שנה. בכל פעם שמודדים קרינה זו באזור מסוים, אפילו אם היא מוסחת לאדום עקב התפשטות היקום, מדובר בעדות ליצירת כוכבים באותו אזור.

שוב, אותה קרינה - באורך גל של 21 סנטימטרים - נוצרת לאורך פרקי זמן של כ-10 מיליון שנה. בכל פעם שאנו מודדים את אורך הגל של 21 סנטימטרים במקום מסוים בחלל, גם אם האות מוסח לאדום כתוצאה מהתפשטות היקום, אנו למעשה מבחינים בעדות ליצירת כוכבים שהתרחשה לאחרונה. בכל מקום שבו מתרחשת יצירת כוכבים, אטומי המימן עוברים יינון, וכאשר אותם אטומים חוזרים להיות ניטרליים ומתפרקים שוב לרמות אנרגיה נמוכות, הקרינה באורך גל המסוים הזה נמשכת ונפלטת לאורך עשרות מיליוני שנים.

כאשר נוצר אטום מימן, קיימת הסתברות שווה לכך שספיני האלקטרון והפרוטון יהיו מיושרים או מנוגדים. אם הספינים מנוגדים, לא יתרחשו מעברים נוספים; אך אם הם מיושרים, ייתכן שהאטום יעבור, באמצעות מנהור קוונטי, למצב האנרגיה הנמוך יותר - תוך פליטת פוטון באורך גל מאד מסוים (21 סנטימטרים) ובסקלות זמן מאד מסוימות, ואף ארוכות למדי. דיוקו של מעבר זה נמדד ברמת דיוק העולה על חלק אחד מתוך טריליון, והוא לא השתנה במשך עשרות השנים שבהן הוא ידוע. זהו האור הראשון שנפלט ביקום לאחר יצירת האטומים הניטרליים: עוד לפני היווצרותם של הכוכבים הראשונים - אך גם לאחר מכן, בכל פעם שנוצרים כוכבים חדשים, כאשר קרינת על-סגול מייננת את אטומי המימן ויוצרת מחדש את החתימה הזו כאשר האטומים מתגבשים שוב באופן ספונטני / Tiltec/Wikimedia Commons

אם הייתה לנו היכולת למפות את פליטת 21 הסנטימטרים ברגישות גבוהה לכל הכיוונים ובכל ההסחה לאדום (כלומר מרחקים) בחלל, היינו יכולים לגלות בפועל את היסטוריית יצירת הכוכבים של היקום כולו, כמו גם את דעיכתם של האטומים שנוצרו לאחר המפץ הגדול. עם תצפיות מספיק רגישות, ניתן יהיה להשיב על שאלות כגון:

• האם קיימים כוכבים בחללים האפלים של היקום, מתחת לסף הגילוי הנוכחי, שממתינים להיחשף דרך האטומים המתפרקים שלהם?

• בגלקסיות שבהן לא נראית יצירת כוכבים חדשה, האם התהליך באמת פסק, או שיש רמות נמוכות של יצירת כוכבים שטרם התגלו?

• האם התרחשו אירועים שחיממו וייננו את המימן לפני יצירת הכוכבים הראשונים?

על ידי מדידת אור באורך הגל המדויק - 21.106114053 סנטימטרים, בתוספת השפעות הארכת האורך מהתפשטות הקוסמוס - נוכל לחשוף את התשובות לשאלות אלה ועוד רבות אחרות. למעשה, זהו אחד היעדים המדעיים העיקריים של LOFAR - מערך רדיו בתדרים נמוכים, וישנו רעיון לשדרג את המערך ולהציב אותו בצידו הרחוק של הירח, המוגן מהפרעות רדיו.

הקמה של אנטנת רדיו עצומת ממדים - אולי בתוך מכתש ירחי - או לחלופין מערך של טלסקופי רדיו על הצד הרחוק של הירח, עשויה לאפשר תצפיות רדיו חסרות תקדים על היקום, כולל בתחום הקריטי של 21 הסנטימטרים, הן בטווחים קרובים והן לאורך הזמן הקוסמי. היכולת למפות את המקומות שבהם נוצר מימן ניטרלי במהלך 10–20 מיליון השנים האחרונות תוכל לקדם את הבנתנו את ההיסטוריה הקוסמית באופן שאין לו אח ורע / Saptarshi Bandyopadhyay

כמובן, קיימת אפשרות נוספת, מרחיקת לכת אף יותר מאסטרונומיה: ייצור ומדידה של מספיק אטומי מימן בעלי ספינים מיושרים במעבדה, כדי לאתר ישירות את מעבר היפוך הספין באופן מבוקר. תהליך ההיפוך אורך בממוצע 10 מיליון שנה, כלומר יהיה צורך בכקוודריליון (10¹⁵) אטומים מוכנים, מקוררים לטמפרטורות קריוגניות, כדי למדוד לא רק את קו הפליטה אלא גם את רוחבו. אם קיימות תופעות שגורמות להרחבת הקו, כגון אותות גלי כבידה פרימורדיאליים, ניסוי כזה יוכל, באופן מרשים, לחשוף את קיומם ואת עוצמתם.

בכל היקום, ישנם רק מעט מעברים קוונטיים הידועים בדיוק הרב של מעבר היפוך הספין העל-דק של המימן, המייצר קרינה באורך של 21 סנטימטרים. אם נרצה לזהות:

• יצירת כוכבים פעילה וחדשה ביקום,

• את האותות האטומיים הראשונים לפני היווצרות הכוכבים הראשונים,

• או את עוצמתם של גלי כבידה קדומים מעידן האינפלציה הקוסמית,

ברור שהמעבר באורך של 21 סנטימטרים הוא הכלי החשוב ביותר שברשותנו. במובנים רבים, זהו "האורך המופלא" לגילוי כמה מהסודות הגדולים ביותר של הטבע - ויכול לקרב אותנו למפץ הגדול יותר מכל תצפית על כוכבים או גלקסיות.