יקום נולד: לראות בחשיכה

• לחלק הקודם של הכתבה - לחצו כאן
  

למרבה המזל, אפילו מימן קר מסוגל לפלוט סוג של אור. לחלקיקים תת-אטומיים יש תכונה פנימית, הקרויה ספין (סַחריר), שיכולה להצביע לאחד משני כיוונים ושמדענים מסכימים לכנותם "מעלה" ו"מטה". האלקטרון והפרוטון באטום מימן יכולים להצביע באותו כיוון (מצב מקביל) או בכיוונים מנוגדים (מצב מהופך).

האנרגיה של אטום במצב המהופך נמוכה יותר. אם למשל בתחילה גם האלקטרון וגם הפרוטון מצביעים כלפי מעלה, ואז האלקטרון מתהפך ומצביע כלפי מטה, האטום כולו יורד לרמת אנרגיה נמוכה יותר, ומשחרר את הפרש האנרגיה בפוטון שאורך הגל שלו 21 סנטימטר. ובתהליך הפוך, אם האטום בולע פוטון באורך גל כזה, האלקטרון הפונה מטה יהפוך את כיוונו.

האנרגיה של פוטון באורך גל של 21 סנטימטר נמוכה בהרבה מזו של פוטונים האופייניים לקפיצה של אלקטרון בין המסלולים באטום מימן. ולכן תהליך היפוך הספין יכול היה להתרחש גם כשהכוכבים עוד לא קרנו. היה די באנרגיה של קרינת הרקע הקוסמית ובהתנגשויות בין האטומים כדי להפוך ספין של אלקטרונים ולגרום למימן לפלוט קרינה חלשה. היחס בין מספר האטומים במצב מקביל, למספר האטומים במצב מהופך מגדיר את "טמפרטורת הספין" של הגז. טמפרטורת ספין גבוהה, לדוגמה, מעידה על שיעור גבוה של אטומים במצב מקביל.

ברוכים הבאים לעולם האפל

לפיכך, על פי התאורייה, העידן האפל מוגדר על ידי שלושה סוגי טמפרטורות: טמפרטורת הספין (מדד לשיעור האטומים במצבי ספין שונים), הטמפרטורה הקינטית הרגילה (מדד לתנועתם של האטומים) וטמפרטורת הקרינה (מדד לאנרגית הפוטונים שברקע). שלוש הטמפרטורות האלה יכלו להיות שונות זו מזו בשל התהליכים הפיזיקליים השונים שהתרחשו.

שלוש הטמפרטורות יצרו משולש יחסים משונה: תחילה הייתה טמפרטורת הספין דומה לטמפרטורה הקינטית, אחר כך לטמפרטורת הקרינה, ולבסוף שוב לטמפרטורה הקינטית.

כשהחלל התפשט, הגז והקרינה התקררו. לו היה הגז מבודד, הוא היה מתקרר מהר יותר, אך בשל מספר קטן של אלקטרונים חופשיים שנותרו לאחר היווצרות המימן, ההתקררות הייתה איטית יותר. האלקטרונים החופשיים שימשו כמתווך. הם העבירו אנרגיה מקרינת הרקע הקוסמית אל האטומים, וכך שמרו על שוויון בין שלוש הטמפרטורות.

 רק עשרה מיליון שנים לאחר המפץ הגדול הפסיקו האלקטרונים החופשיים לשמש כמתווכים, בשל הדילול בקרינת הרקע. שיווי המשקל בין הגז לקרינה הופר, והגז החל להתקרר במהירות. התנגשויות אטומיות השוו בין טמפרטורת הספין לטמפרטורה הקינטית. בשלב זה המימן רק בלע פוטונים באורך גל של 21 סנטימטר, וספג את האנרגיה של קרינת הרקע הקוסמית (אם כי לעולם לא במידה מספקת כדי להשיב את המערכת לשיווי משקל).

יקום משתנה

מאה מיליון שנים לאחר המפץ הגדול התרחש שינוי נוסף. ההתפשטות הקוסמית דיללה את הגז עד כי ההתנגשויות התרחשו בתדירות נמוכה מדי להשוואת טמפרטורת הספין והטמפרטורה הקינטית. הספינים החלו לצבור אנרגיה מהקרינה הקוסמית, וכשטמפרטורת הספין חזרה לשיווי משקל עם טמפרטורת הקרינה, המימן גם בלע וגם פלט פוטונים באורך גל של 21 סנטימטר. בתקופה זו לא ניתן היה לראות את הגז על רקע הקרינה הקוסמית.

כשהופיעו הכוכבים והחורים השחורים הראשונים, התרחש השינוי השלישי. קרני ה-x שהם פלטו העלו את הטמפרטורה הקינטית. האור האולטרה-סגול שלהם נבלע ונפלט מחדש על ידי המימן, והמעברים החוזרים ונשנים של אלקטרונים בין המסלולים האטומיים הביאו את טמפרטורת הספין והטמפרטורה הקינטית לשיווי משקל. טמפרטורת הספין עלתה מעל לטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית, והמימן קרן בעוצמה רבה יותר מן הרקע.

מאחר שהיפוך ספין של אלקטרונים מצריך הרבה פחות אנרגיה מיינון אטומים, הגלקסיות גרמו למימן לקרון הרבה לפני שגרמו לו להתיינן מחדש. לבסוף, כשהמימן עבר יינון, הוא פלט קרינה בדרכים אחרות, והפליטה הבין-גלקטית באורך גל של 21 סנטימטר דעכה.