צפיפות היקום

צפיפות היקום, או במדויק צפיפות המאסה-אנרגיה של היקום, היא איך המסה, האנרגיה והלחץ מפוזרים בחלל. המושג מגיע מקוסמולוגיה ובתורת היחסות הכללית.

צפיפות היקום קובעת את אופי התפשטות היקום דרך משוואות פרידמן. משוואות פרידמן מתקבלות כשמכניסים מטריקה הומוגנית ואיזוטרופית למשוואות איינשטיין. הן מתקשרות בין קצב ההתרחבות של פרמטר הסקלה R(t) לבין הצפיפות הכוללת והלחץ P (לחץ = כוח ליחידת שטח).

הצפיפות הכוללת משפיעה גם על הגאומטריה של היקום. בהתאם לצפיפות ניתן לקבל יקום שטוח, סגור (עקמומיות חיובית) או פתוח (עקמומיות שלילית). קיומה של אנרגיה אפלה מופיעה במשוואות דרך הקבוע הקוסמולוגי Λ, והיא גורמת להאצה של ההתפשטות.

צפיפות קריטית היא הערך שמעניק יקום שטוח ללא Λ. היא ניתנת על ידי ρ_c = 3 H^2 / (8 π G), כש־H הוא קצב ההתרחבות הנוכחי. נהוג להגדיר את פרמטר הצפיפות היחסי Ω_m = ρ/ρ_c. אם לוקחים בחשבון את Λ, התנאי ליקום שטוח הוא Ω_m + Ω_Λ = 1, כאשר Ω_Λ = Λ/(3 H^2).

יש שתי גישות למדידת הצפיפות. בגישה הישירה סופרים מסה של עצמים נראים, כמו גלקסיות, ומעריכים את המסה הכוללת שלהם. בגישה העקיפה מודדים את הגאומטריה ואת קצב ההתרחבות, ומסיקים מהם את הצפיפות.

התוצאות משתי הגישות הראו חוסר תאימות גדול. המסה הנצפית של החומר המואר קטנה בהרבה מהנדרש לפי מדידות הגאומטריה וקצב ההתרחבות. כדי להסביר זאת הוצעו שני מרכיבים חשובים: חומר אפל (Dark Matter) ואנרגיה אפלה (Dark Energy). חומר אפל אינו קורן ואינו אינטראקטיבי חוץ מכבידה. החומר האפל הוצע גם כדי להסביר עקומות סיבוב של גלקסיות. ניסויי חיפוש אחרי מועמדי חלקיקים של חומר אפל, כגון WIMPs (חלקיקים מסיביים עם אינטראקציה חלשה), לא הצליחו עד כה.

במסגרת תורת היחסות הכללית עומדת צפיפות המאסה-אנרגיה בטנזור T_{μν} (טנזור שמייצג אנרגיה, מסה, לחץ ותנע). טנזור זה מעקם את החלל לפי משוואת איינשטיין: הריצ'י והסקלר של העקמומיות קשורים ל־T_{μν} ול־Λ. טנזורים במרחב-זמן הם מטריצות בגודל 4x4, אך הסימטריה מצמצמת את הרכיבים ל־10 עצמאיים.

חישובים מודדים ומעריכים את חלקי הצפיפות השונים (חומר רגיל, חומר אפל, אנרגיה אפלה). קיימות הערכות אמפיריות ממדידות בתחילת המאה ה־21, עם אי־ודאות קטנה יחסית, שמציגות לאיזון בין המרכיבים השונים.

צפיפות היקום אומרת כמה חומר ואנרגיה יש בכל מקום בחלל. חומר = דברים שוקלים. אנרגיה = כוח שפועל.

הצפיפות משפיעה על איך היקום מתרחב. יש משוואות שקושרות בין כמות החומר והלחץ לבין קצב ההתרחבות. לפי הכמות אפשר לדעת אם היקום שטוח, סגור או פתוח.

יש דבר שנקרא צפיפות קריטית. זו הכמות שגורמת ליקום להיות שטוח. משתמשים בפרמטר שנקרא Ω כדי להשוות צפיפות לצפיפות הקריטית. אם לוקחים בחשבון גם אנרגיה אפלה, צריך ש־Ω_m + Ω_Λ יהיו שווים ל־1 בשביל יקום שטוח.

מודדים את הצפיפות בשתי דרכים. הדרך הישירה היא לספור חומר שנראה, כמו גלקסיות. הדרך העקיפה מודדת את הצורה של היקום ואת קצב ההתרחבות.

המדידות הראו שיש הרבה פחות חומר נראה ממה שציפו. כדי להסביר זאת מציעים שיש חומר אפל שאי אפשר לראות. חומר אפל משפיע רק בכבידה. יש גם אנרגיה אפלה שגורמת להתרחבות להאיץ. ניסיונות למצוא חלקיקים של חומר אפל עד עכשיו לא הצליחו.

בפיזיקה משתמשים בטנזור (מטריצה של מספרים) שמייצג את האנרגיה, המסה והלחץ בכל נקודה. טנזור זה נכנס למשוואת איינשטיין שמקשרת חומר לעקמומיות החלל.

יש רשימות שמפרטות את חלקי הצפיפות: חומר רגיל, חומר אפל, אנרגיה אפלה. מדידות משנות את ההערכות עם הזמן.