דלג לתוכן הראשי
מצפה הכוכבים כנרת
  • ספר לימוד
    • פרק א' – כיצד פועל המדע?
    • פרק ב' – אסטרונומיה קדומה
    • פרק ג' – המהפכה הקופרניקנית
    • פרק ד' – אנרגיה וחומר ביקום
    • פרק ה' – מערכת ארץ-ירח
    • פרק ו' – פלנטות ארציות
    • פרק ז' – פלנטות ענקיות וירחיהן
    • פרק ח' – גופים במרחב הפלנטרי
    • פרק ט' – כיצד נוצרה המערכת הפלנטרית?
    • פרק י' – גלוי קרינה מהחלל
    • פרק י"א – השמש – הכוכב שלנו
    • פרק י"ב – תכונותיהם של כוכבים
    • פרק י"ג – הולדתם ומותם של כוכבים
    • פרק י"ד – שביל החלב
    • פרק ט"ו – גלקסיות
    • פרק ט"ז – היקום המתפשט
    • פרק י"ז – קוסמולוגיה
    • פרק י"ח – החיים בכדור הארץ
    • פרק י"ט – חיים ביקום
  • הדמיות
  • עבודות זעירות
    • מהם מטאוריטים?
    • מה הם כתמי שמש?
    • מה קורה לחלקי השמש כאשר הם מתפרצים מהשמש ומה תוצאת נפילתם?
    • מדוע כוכב הלכת אורנוס מסתחרר בשכיבה על הצד?
    • מדוע צבעו של מאדים אדום?
    • מדוע כוכב הלכת אורנוס מסתחרר בשכיבה על הצד?
    • למה נעלמו המים במאדים?
    • איך כוכב הלכת צדק נוצר, הגיע למערכת השמש והחל להסתובב סביבה במסלול הקבוע?
    • כיצד נוצרו טבעותיו של שבתאי (saturn)?
  • פעילויות תלמידים
    • בית ספר יסודי
    • חטיבת ביניים
    • בית ספר תיכון
  • מצפה כוכבים רובוטי
  • פרויקטים
    • מייזמים שמתקיימים כעת
    • מייזמים שהסתיימו
    • תערוכת טילאות
  • צור קשר
  • ראשי
  • ספר לימוד
  • הדמיות באסטרונומיה
  • עבודות זעירות
  • אסטרוטופ
  • פעילויות תלמידים
  • מצפה כוכבים רובוטי
  • פרויקטים
  • צור קשר
מצפה הכוכבים כנרת
  • ספר לימוד
    • פרק א' – כיצד פועל המדע?
    • פרק ב' – אסטרונומיה קדומה
    • פרק ג' – המהפכה הקופרניקנית
    • פרק ד' – אנרגיה וחומר ביקום
    • פרק ה' – מערכת ארץ-ירח
    • פרק ו' – פלנטות ארציות
    • פרק ז' – פלנטות ענקיות וירחיהן
    • פרק ח' – גופים במרחב הפלנטרי
    • פרק ט' – כיצד נוצרה המערכת הפלנטרית?
    • פרק י' – גלוי קרינה מהחלל
    • פרק י"א – השמש – הכוכב שלנו
    • פרק י"ב – תכונותיהם של כוכבים
    • פרק י"ג – הולדתם ומותם של כוכבים
    • פרק י"ד – שביל החלב
    • פרק ט"ו – גלקסיות
    • פרק ט"ז – היקום המתפשט
    • פרק י"ז – קוסמולוגיה
    • פרק י"ח – החיים בכדור הארץ
    • פרק י"ט – חיים ביקום
  • הדמיות
  • עבודות זעירות
    • מהם מטאוריטים?
    • מה הם כתמי שמש?
    • מה קורה לחלקי השמש כאשר הם מתפרצים מהשמש ומה תוצאת נפילתם?
    • מדוע כוכב הלכת אורנוס מסתחרר בשכיבה על הצד?
    • מדוע צבעו של מאדים אדום?
    • מדוע כוכב הלכת אורנוס מסתחרר בשכיבה על הצד?
    • למה נעלמו המים במאדים?
    • איך כוכב הלכת צדק נוצר, הגיע למערכת השמש והחל להסתובב סביבה במסלול הקבוע?
    • כיצד נוצרו טבעותיו של שבתאי (saturn)?
  • פעילויות תלמידים
    • בית ספר יסודי
    • חטיבת ביניים
    • בית ספר תיכון
  • מצפה כוכבים רובוטי
  • פרויקטים
    • מייזמים שמתקיימים כעת
    • מייזמים שהסתיימו
    • תערוכת טילאות
  • צור קשר
  • ראשי
  • ספר לימוד
  • הדמיות באסטרונומיה
  • עבודות זעירות
  • אסטרוטופ
  • פעילויות תלמידים
  • מצפה כוכבים רובוטי
  • פרויקטים
  • צור קשר
17.13 הצפיפות הקוסמית הממוצעת
ראשי » פרק י"ז - קוסמולוגיה » 17.13 הצפיפות הקוסמית הממוצעת

17.13 הצפיפות הקוסמית הממוצעת

לפי תורת היחסות הכללית, הגאומטריה, או העקמומיות, של המרחב נקבעת לפי תכולת המסה של היקום. מכאן שאם נמדוד את הצפיפות הממוצעת של החומר ביקום הקרוב, נוכל לקבוע אם היא גבוהה או נמוכה מהצפיפות הקריטית שדרושה כדי להתגבר על התפשטות היקום. החומר ביקום גושי: אטומים מתקבצים לכוכבים, וכוכבים קשורים בכבידה לגלקסיות. המפתח למושג הצפיפות הממוצעת הוא לדמיין את כל החומר שביקום מפורק לאטומים ומפוזר באופן אחיד בכל המרחב.

ערך הצפיפות הקריטית תלוי בקבוע האבל, כי התפשטות מהירה יותר דורשת צפיפות גדולה יותר כדי להתגבר עליה. אם מניחים H0 = 73 ק"מ בשנייה למגה-פרסק, הצפיפות הקריטית היא בערך 10−26 ק"ג למטר מעוקב. המספר הזעיר הזה שקול לכשישה אטומי מימן במטר מעוקב של חלל – או, כדי להמחיש, לגרגר חול אחד שמפוזר בכל הנפח של כדור הארץ. היקום ריק להפליא! לכן כל מה שצריך לעשות הוא למדוד את הצפיפות הממוצעת בנפח גדול ולחלק אותה בצפיפות הקריטית. המספר שמתקבל הוא פרמטר הצפיפות, Ω0. נראה שקל לקבוע אותו: סופרים גלקסיות, מחברים את המסות שלהן ומחלקים בנפח שמכיל אותן, וכך מקבלים את הצפיפות הממוצעת. אחר כך בודקים אם היא גדולה או קטנה מהצפיפות הקריטית, שמחושבת לפי ההערכה הטובה ביותר של קבוע האבל. אולי אתם חושדים ששום דבר בקוסמולוגיה אינו פשוט כמו שהוא נראה – ואתם צודקים!

איזה אזור במרחב הוא "מדגם מייצג" של היקום? נניח שאתם עורכים מפקד אוכלוסין במדינה גדולה. אם תספרו את האנשים בשטח של כ-250 קמ"ר באזור כפרי נידח, ייתכן שתקבלו צפיפות אוכלוסין נמוכה מאוד. לעומת זאת, אם השטח שבחרתם כולל עיר גדולה, תקבלו צפיפות גבוהה מאוד. אף אחת מהתוצאות לא תיתן הערכה טובה של הצפיפות הממוצעת. צריך לדגום כמה אזורים שמכסים את כל מגוון סביבות המגורים. כך גם עם גלקסיות. נניח שהאסטרונומים סוקרים נפח של מגה-פרסקים מעוקבים ספורים בלבד. ייתכן שבמקרה יבחרו אזור ביקום שצפיפותו נמוכה מהממוצע ויקבלו תוצאה מוטה. למעשה, מכיוון שהמרחק הממוצע בין גלקסיות גדולות הוא כמגה-פרסק או שניים, הם עלולים אפילו להיות חסרי מזל ולא למצוא אף גלקסיה בנפח הסקר. אין פירוש הדבר שצפיפות היקום היא אפס!

מיקום הגלקסיות לפי ההיסט לאדום שלהן, מתוך סקר הגלקסיות 2dF.

היקום נעשה הומוגני בקני מידה של 300 מגה-פרסק ויותר – כלומר מספר הגלקסיות כמעט אינו משתנה ממקום למקום. שימו לב ש-300 מגה-פרסק מתאימים לזמן מבט לאחור של כמיליארד שנים, פחות מ-10% מגיל היקום. לכן סקר עד המרחק הזה עדיין נחשב מדידה "מקומית", ובעיית האבולוציה של הגלקסיות אינה חשובה בו. האם צריך לספור גלקסיות בכל השמים עד המרחק הזה? לא, כי היקום איזוטרופי, ונקבל את אותו מפקד בכל כיוון שנביט. האסטרונומים משתמשים בסקרים של "פרוסות" או של "אלומות עיפרון" (pencil beams) כדי למדוד את הצפיפות הממוצעת של הגלקסיות. לסקר טיפוסי יכול להיות עומק של 200 מגה-פרסק, ומידות של 5 מגה-פרסק לכל כיוון במישור השמים. הנפח הכולל הוא אפוא 200 × 5 × 5, או 5,000 מגה-פרסק מעוקב, והמדגם שיתקבל יכלול מאות עד אלפי גלקסיות, לפי רגישות הסקר.

מקומו של כדור הארץ ביקום הנצפה.

האסטרונומים חיברו את הנגיהות (luminosity) של הגלקסיות באזור גדול במרחב. היחס בין מסה לאור של אוכלוסיות כוכבים ידוע היטב, ולכן אפשר להמיר את סך הנגיהות לסך המסה. אחר כך מחלקים את המסה הכוללת בנפח ומקבלים את הצפיפות הממוצעת, ולבסוף מחלקים את הצפיפות הממוצעת בצפיפות הקריטית ומקבלים את פרמטר הצפיפות. התוצאה היא מספר נמוך מאוד: Ω0 ≈ 0.004 עד 0.005. במילים אחרות, הכוכבים מהווים רק כמה עשיריות האחוז מהצפיפות הקריטית. בעזרת העיקרון הקוסמולוגי אפשר לטעון שהנפח המקומי שלנו אופייני לכל אזור במרחב. מדהים ככל שזה נשמע, כל הכוכבים שביקום – כ-1022 כוכבים ויותר, בכמאות מיליארדי גלקסיות – אינם מתקרבים אפילו לצפיפות הקריטית.

האסטרונומים לומדים הרבה מהשוואת הערכות של צפיפות החומר בקני מידה שונים – מגרעיני גלקסיות בודדות ועד צבירי-על של גלקסיות. לפי המודלים של יצירת היסודות הקוסמית, יש טווח צר של צפיפות שבו המפץ הגדול חוזה את השכיחות הנכונה של היסודות הקלים. המודל מחשב את טווח הצפיפות הזה מתוך כל החלקיקים התת-אטומיים המוכרים: פרוטונים, נייטרונים, אלקטרונים ונייטרינים. הטווח שחישובי יצירת היסודות חוזים הוא Ω0 = 0.04 עד 0.05, כלומר 4% עד 5% מהצפיפות הקריטית. מכאן נובעות שתי מסקנות. ראשית, כל הכוכבים בכל הגלקסיות יחד מתאימים רק ל-Ω0 = 0.005, ולכן החלקים הנראים של הגלקסיות הם רק כ-10% מהחומר שחישובי יצירת היסודות חוזים. במילים אחרות, את רוב החומר הרגיל ביקום לא ראינו בכוכבים! האסטרונומים שיערו שהמסה הזאת תימצא כגז דליל בין הגלקסיות, שמחומם לטמפרטורות של 100,000 מעלות ויותר בקרינה אולטרה-סגולה מכוכבים צעירים ומקוואזרים נדירים ורבי עוצמה. ואכן, בשנים האחרונות נמצא רוב "החומר החסר" הזה: גז דליל וחם (100,000 עד 10 מיליון מעלות) בחוטים שבין הגלקסיות. ב-2020 אישרו מדידות של התפרצויות רדיו מהירות (fast radio bursts) שהכמות שלו מתאימה לחיזוי. שנית, פרמטר הצפיפות של החומר הרגיל נמוך בהרבה מהצפיפות הקריטית. החומר הרגיל רחוק מאוד מלהספיק כדי לסגור את היקום ולגרום לו לקרוס בעתיד.

מפקד החומר הנראה מראה שהיקום פתוח, אבל צריך להביא בחשבון גם את החומר האפל. לפחות 80%–90% מהמסה של רוב הגלקסיות היא חומר אפל. (זכרו שלפי ההשערה, האינטראקציה של חלקיקי החומר האפל עם חלקיקים רגילים חלשה מאוד, ולכן אינם נכנסים לחישובי יצירת היסודות). הוספת המסה הזאת מגדילה את הצפיפות שחושבה מהכוכבים פי 10 עד 15 בערך, כלומר Ω0 = 0.06 עד 0.07. זה עדיין פחות מעשירית מהמסה שדרושה כדי לסגור את היקום. בנוסף, יש הרבה חומר אפל בקני מידה גדולים מגלקסיות בודדות. האסטרונומים "שוקלים" את החומר האפל בקני מידה של עד 100 מגה-פרסק, כשהם צופים איך הגלקסיות נגררות בתגובה להתפלגות החומר האפל. זה כאילו הגלקסיות הן גולות מבריקות שמתגלגלות על משטח גלי של קטיפה שחורה. הגלים מייצגים את האזורים הצפופים והדלילים של החומר האפל. הגולות יתגלגלו לעבר ריכוזים של חומר אפל והרחק מאזורים שבהם הוא דליל, ועודף צפיפות גדול יותר יגרום לתנועה גדולה יותר. בעזרת המפה של התנועות האלה שוקלים את החומר האפל. הוספת המסה הזאת מגדילה את הצפיפות הממוצעת פי ארבעה נוספים, ומתקבל Ω0 = 0.25 עד 0.30.

המחשה של הרכב היקום: חומר רגיל, חומר אפל ואנרגיה אפלה. (האחוזים בתרשים הם לפי נתוני WMAP המוקדמים; לפי פלאנק: כ-68% אנרגיה אפלה, 27% חומר אפל ו-5% חומר רגיל).

ב-1998 הראו מדידות של קצב ההתפשטות של היקום בעזרת סופרנובות שכוח מסתורי כלשהו פועל כלחץ שדוחף את היקום להתפשט. התפשטות האבל מואצת. הגורם הזה נקרא אנרגיה אפלה, וכיום מקובל שעוד כ-0.7 מצפיפות המסה-אנרגיה של היקום הם אנרגיה אפלה. סכום כל רכיבי המסה והאנרגיה האלה קרוב לצפיפות הקריטית, Ω0 = 1. מכאן שהגאומטריה של המרחב והזמן שטוחה.

→ הסעיף הקודם: 17.12 התפתחות מבנה היקום  |  הסעיף הבא: 17.14 הצפיפות הקריטית ←

« הקודם
הבא »
פוסטים אחרונים
  • 17.31 גבולות הידע
  • 17.30 הרב-יקום
  • 17.29 תורת המיתרים והקוסמולוגיה
  • 17.28 העיקרון האנתרופי בקוסמולוגיה
  • 17.27 כוונון עדין בקוסמולוגיה
קטגוריות
  • אור והספקטרום האלקטרומגנטי
  • אנרגית השמש
  • אסטרואידים
  • אסטרוטופ
  • אסטרונומיה במאות 16-17
  • בית ספר יסודי
  • בית ספר תיכון
  • גלקסיות
  • גרמי שמים
  • הדמיות באסטרונומיה
  • הזמנת הרצאות
  • הירח
  • המרכז לחינוך אסטרונומי כנרת
  • הצעות למחקר
  • השמש
  • חטיבת ביניים
  • טלסקופ רובוטי
  • טלסקופים
  • ימי חלל ואסטרונומיה
  • כוכבים כפולים ומשתנים
  • כללי
  • ליקויים
  • מייזמים המתקיימים כעת
  • מייזמים שהסתיימו
  • מערכת השמש
  • מפגשי חובבים
  • מצפה כוכבים רובוטי
  • ספר לימוד
  • עבודות זעירות
  • פלנטה אורנוס
  • פלנטות מחוץ למערכת השמש
  • פלנטות מחוץ למערכת השמש
  • פלנטת מאדים
  • פלנטת נוגה
  • פלנטת נפטון
  • פלנטת צדק
  • פלנטת שבתאי
  • פעילויות לציבור הרחב
  • פעילויות לתלמידים
  • פרויקטים
  • פרק א' – כיצד פועל המדע?
  • פרק ב' – אסטרונומיה תצפיתית
  • פרק ג' – המהפכה הקופרניקנית ותוצאותיה
  • פרק ד' – אנרגיה וחומר ביקום
  • פרק ה' – מערכת ארץ-ירח
  • פרק ו' – פלנטות ארציות
  • פרק ז' – פלנטות ענקיות וירחיהן
  • פרק ח' – גופים במרחב הפלנטרי
  • פרק ט' – היווצרות מערכת פלנטרית
  • פרק ט"ו – גלקסיות
  • פרק ט"ז – היקום המתפשט
  • פרק י' – גלוי קרינה מהחלל
  • פרק י"א – השמש – הכוכב שלנו
  • פרק י"ב – תכונותיהם של כוכבים
  • פרק י"ג – הולדתם ומותם של כוכבים
  • פרק י"ד – שביל החלב
  • פרק י"ז – קוסמולוגיה
  • פרק י"ח – החיים בכדור הארץ
  • פרק י"ט – חיים ביקום
  • קואורדינטות ותנועות
  • קוסמולוגיה
  • שאלות נפוצות
  • תוכנות לניתוח תצלומים
  • תחרות ארצית בצילום אסטרונומי
  • תכונותיהם של כוכבים
  • תמיכה
  • תנועות גרמי שמים
  • תערוכת טילאות
  • תצפיות שמיים
תגובות אחרונות
    ארכיונים
    • נובמבר 2026
    • אוקטובר 2026
    • ספטמבר 2026
    • מאי 2026
    • מרץ 2026
    • נובמבר 2025
    • אוקטובר 2025
    • אוגוסט 2025
    • יולי 2025
    • יוני 2025
    • פברואר 2025
    • נובמבר 2024
    • אוקטובר 2024
    • אוגוסט 2024
    • יולי 2024
    • מאי 2024
    • פברואר 2024
    • ספטמבר 2023
    • אוגוסט 2023
    • אפריל 2023
    • מרץ 2023
    • פברואר 2023
    • ינואר 2023
    • דצמבר 2022
    • נובמבר 2022
    • אוקטובר 2022
    • פברואר 2022
    • דצמבר 2021
    • דצמבר 2020
    • דצמבר 2019
    • אוקטובר 2019
    • ספטמבר 2019
    • אוגוסט 2019
    • יולי 2019
    • יוני 2019
    • מאי 2019
    • אפריל 2019
    • ינואר 2019
    • נובמבר 2018
    • אוקטובר 2018
    • ספטמבר 2018
    • יולי 2018
    • יוני 2018
    • מאי 2018
    • אפריל 2018
    • מרץ 2018
    • פברואר 2018
    • ספטמבר 2017
    • אוגוסט 2017
    • יולי 2017
    • יוני 2017
    • מאי 2017
    • אפריל 2017
    • מרץ 2017
    כלים
    • הרשמה
    • התחבר
    • פיד רשומות
    • פיד תגובות
    • WordPress.org
    תוכן עניינים:
    פרק א'
    • 1.14 קנה מידה בחלל
    • 1.13 האסטרונומיה כמדע
    • 1.12 מחקר מדעי מודרני
    • 1.11 מערכות ידע מדעיות
    • 1.10 תיאוריות מדעיות
    • 1.9 חקר מקרה – חיים על מאדים
    • 1.8 בדיקת השערות
    • 1.7 סימון מדעי
    • 1.6 תצפיות ואי-וודאות
    • 1.5  ממדים
    • 1.4  אומדן
    • 1.3 מדידות
    • 1.2 ראיות
    • 1.1 טבע המדע
    פרק ב'

    יש ללחוץ על כפתור העריכה כדי לשנות את הטקסט הזה. לורם איפסום דולור סיט אמט, קונסקטורר אדיפיסינג אלית קולהע צופעט למרקוח איבן איף, ברומץ כלרשט מיחוצים. קלאצי צש בלי

    מדיניות הפרטיות | כל הזכויות שמורות ל-שיר-שירותי ידע ברשת, אשדות יעקב איחוד © 2022
    Design by Visuali

    כלי נגישות

    גודל טקסט
    הצהרת נגישות
    by Studio Visuali
    logo

    אנחנו משתמשים בעוגיות

    אנו משתמשים בעוגיות כדי לשפר את חוויית הגלישה שלך, לנתח את השימוש באתר ולהתאים עבורך תוכן שיווקי. בלחיצה על "אישור הכל" אתה מאשר את השימוש בעוגיות. באפשרותך לנהל את העדפותיך, לדחות עוגיות שאינן הכרחיות או לקרוא עוד במדיניות הפרטיות שלנו.

    מדיניות פרטיות

    Visuali — Cookie Consent

    עוגיות הכרחיות

    עוגיות אלו נדרשות לתפקוד הבסיסי של האתר ולא ניתן לכבותן.

    עוגיות פונקציונליות

    מאפשרות לאתר לזכור את העדפותיך, כגון שפה או אזור.

    עוגיות אנליטיקה

    עוזרות לנו להבין כיצד המבקרים משתמשים באתר, לשם שיפור השירות.

    עוגיות שיווק

    משמשות להצגת פרסומות רלוונטיות עבורך ולמדידת אפקטיביות קמפיינים.

    גלילה לראש העמוד