תַקצִיר
ישנם עדיין דברים רבים שאיננו יודעים על אודות היקום. הֲבָנַת קיומו של החומר המסתורי שנקרא 'חומר אָפֵל' והרכּבו, היא אחד האתגרים המובילים שמדענים מתמודדים עימם כיום. ישנן מגוון תיאוריות לגבי מה חומר אפל יכול להיות, אך אנו עדיין צריכים להבין את טבעו האמיתי. כיצד אנו אפילו יודעים שדבר כזה קיים? האתגר הגדול ביותר בחקירת חומר אפל הוא שאין באפשרותנו לראותו. במאמר זה נדון באופן שבו מדענים משתמשים במדע ובתצפיות מטלסקופים במטרה לחזוֹת את קיומו של חומר אפל, ומדוע מדענים סבורים שהוא נוכח בכל פינה ביקום שלנו.
מהו חומר אפל? האם הוא בכלל אמיתי?
כשאנו מתבוננים אל שמי הלילה, נוכל להבחין בכך שהם מלאים אלפי כוכבים. הגופים השמימיים האלה כוללים כוכבי לכת במערכת השמש שלנו; כוכבים בגלקסיה שלנו וגלקסיות רחוקות מאוד-מאוד. האובייקטים הללו מרכיבים את כל החומר פולט האור ביקום. בסיוע סוגי טלסקופים שונים, אנו יכולים להבחין בגופים שמימיים אלה דרך האור שאותם גופים פולטים. חלק מהטלסקופים מסוגלים לְאַתֵּר אור ממרחק של מיליוני שנות אור. סוּפּר-טלסקופ אחד שאולי שמעתם עליו – טלסקופ הָאבֶּל, של נאס''א (סוכנות החלל האמריקאית), יכול לראות למרחק של יותר מ-13.4 מיליארד שנות אור [1]! כל הטלסקופים פועלים על בסיס איתור אור שנפלט על ידי הגופים השמימיים האלה בספקטרוּם האלקטרו-מגנטי – מאור נראה ועד לקרני רנטגן. מדענים משתמשים במגוון אורכי גל של אור שאותר כדי לקבוע מידע מרכזי שקשור בגופים השמימיים ביקום שלנו. מידע כזה יכול להיות למשל המרחק של הגופים השמימיים מאיתנו; גיליהם; גודליהם וצורותיהם. מדענים אפילו יכולים להשתמש בחלק מהמידע הזה כדי להבין את חוקי היקום. אולם, ישנוֹ חומר ביקום שאינו פולט אור באף חלק של הספקטרום האלקטרו-מגנטי, כלומר שאיננו יכולים לצפות בו באמצעות הטלסקופים שלנו. התכונה הייחודית הזו הופכת את הצפייה בסוגי חומר זה לבלתי אפשרית, ולכן מדענים מכנים אותו חומר אפל.
חלק מהמדענים, בפרט אסטרוֹפיזיקאים, מקדישים זמן רב לפיתוח תיאוריות לגבי מה חומר אפל יכול להיות. מדענים יודעים כי חומר אפל אינו פולט אור באף חלק בספקטרום האלקטרו-מגנטי, אך חומר אפל נצפה כמושפע על ידי כוח הַכְּבִידָה. אסטרופיזיקאים עדיין אינם בטוחים מהו בדיוק חומר אפל. אולם, הם יודעים מה חומר אפל אינו, על ידי צפייה באופן שבו הוא מתנהג בהשוואה לחומרים אחרים. ידוע לנו כי חומר אפל מרכיב כ-80% מהַמָּסָה הכוללת של הגלקסיות [2]. המשמעות היא שישנוֹ פי 4 חומר אפל לעומת חומר רגיל! אם חומר אפל קשה כל כך לצפייה, מדוע מדענים מאמינים שהוא קיים? הָרְאָיוֹת שתומכות בקיומו של חומר אפל הן נרחבות, ובהמשך המאמר נסקור שלוש דוגמאות עיקריות לכך.
חומר אפל משפיע על תנועת כוכבים בתוך גלקסיות
הסוג הראשון של רְאָיוֹת התומכות בקיומו של חומר אפל קשור באופן שבו חומר זה משפיע על תנועתם של גופים שמימיים. במערכת השמש שלנו, כמעט כל הַמָּסָה היא השמש. כוכבי הלכת הפנימיים ביותר, כמו כוכב חמה (Mercury) ונוגה (Venus), חגים סביב השמש במהירות הגבוהה ביותר. כאשר המרחק מהשמש עולה, המהירות שבה כוכבי לכת נעים פוחתת. הסיבה לכך היא שישנהּ פחות משיכה כבידתית מהשמש לכוכבי לכת רחוקים יותר, ולכן, כדי שלא להיכנס למסלול ספּירלי לכיוון השמש או הרחק ממנה, על כוכבי הלכת לנוע לאט יותר. באופן דומה ביכולתנו להקישׁ לגבי גלקסיות. אם אנו מניחים שהחלק הבהיר של גלקסיה מראה היכן מצויה מרבית הַמָּסָה, אז היא נמצאת ליד מרכז הגלקסיה, ובקצה האפלולי של הגלקסיה לא אמורה להיות כל כך הרבה מסה. לכן, אובייקטים שחגים רחוק ממרכז הגלקסיה צריכים לנוע לאט יותר מאובייקטים שקרובים יותר למרכזהּ, ממש כמו כוכבי הלכת במערכת השמש שלנו.
במטרה לבחון את ההשׁערה הזו, מדענים מדדו אור שמגיע מגלקסיה ספירלית רחוקה (גלקסיית הבית שלנו, שביל החלב, נחשבת לגלקסיה ספירלית), ושרטטו את המהירויות של הכוכבים לעומת מרחקם ממרכז הגלקסיה. הם גילו כי הכוכבים לא התנהגו באופן הצפוי – נמצא כי הכוכבים שרחוקים יותר מהמרכז נעים מהר הרבה יותר מהמצופה (איור 1). הדרך היחידה שבה הדבר יכול להתאפשר היא אם יש יותר מסה בחלק החיצוני של גלקסיות ממה שאנחנו מסוגלים לראות. העובדה שאיננו מסוגלים לראות את המסה הזו, מאחר שאינה פולטת אור, מציעה את אפשרות קיומו של החומר האפל.
- איור 1 - הקשר בין מהירות של כוכבים למרחקם ממרכז הגלקסיה.
- (A) המהירות הנצפית בפועל של כוכבים שרחוקים ממרכז הגלקסיה גדולה יותר מזו שחזו מדענים (B). נתונים אלה מצביעים על כך שישנהּ כמות מסה גדולה שנמצאת בחלק החיצוני של הגלקסיה שלנו, אשר אין באפשרותנו לראותהּ מאחר שאינה פולטת אור. ממצאים אלה מחזקים את אפשרות קיומו של חומר אפל (האיור שונה מהתמונה המקורית של PhilHibbs, והוא מוגן על ידי רישיון זכויות יוצרים CC BY-SA 3.0).
חומר אפל מסבך את חישובי מסת הגלקסיה
רְאָיוֹת לחומר אפל אינן חדשות. בשנת 1933, פריץ צוויקי, אסטרונום שווייצרי, היה אחד מהראשונים שאיתרו את נוכחותו של חומר אפל. צוויקי חקר את האור שנפלט על ידי יותר מ-1,000 גלקסיות שהן חלק מִצְּבִיר הגלקסיות קוֹמָה. הוא קבע את המסה של צביר קומה באמצעות שתי שיטות. שיטה אחת השתמשה במהירויות של גלקסיות, שאותן הוא קבע על ידי מדידת שינויים באור שהן פלטו. שיטת החישוב השנייה קבעה את המסה באמצעות הבהירוּת הכוללת של הצביר. על ידי השוואת שתי הַעֲרָכוֹת המסה שהתקבלו, הוא מצא כי מדידת מהירות הגלקסיה העריכה שהמסה היא פי כמה מאות יותר בצביר קומה ממה שתחזית הבהירות צפתה.
מאחר שהחומר הנוסף לא פלט אור, צוויקי אמר כי ''אם זה יאושר, נקבל את התוצאה המפתיעה שלפיהּ חומר אפל נוכח בכמויות גדולות הרבה יותר מחומר קורן'' [3]. זמן קצר מאוד לאחר מכן, תוצאה דומה התקבלה מצביר הגלקסיות וִירְגוֹ. אולם, שיטות המדידה באותו הזמן לא היו מדויקות כמו השיטות המודרניות, וטבעהּ השנוי במחלוקת של התוצאה – כי היקום נשלט על ידי סוגים של חומר אפל בלתי ידוע – גרם למדענים לדחות את ההשׁערה הזו עד לכמעט 50 שנים מאוחר יותר.
חומר אפל מכופף את האור
תחום הראיות השלישי שתומך בקיום חומר אפל מגיע ממחקר של צביר הקליע (Bullet Cluster), שהוא השם שניתן לשתי גלקסיות שהתנגשו לאחרונה. אסטרונומים מצאו דרך לגלות את המסה של אובייקט שמיימי, כמו גלקסיה, באמצעות שיטה הידועה בשם עידוּש כבידתי [4]. שיטה זו מבוססת על העובדה שלפיה המסה של אובייקט משפיעה על צפיפות המרחב שסביבו. כאשר האור נע דרך המרחב הדחוס הזה, הוא מתעקם. כדי להמחיש זאת, נדמיין יריעה שטוחה מתוחה. היריעה מייצגת את המרחב כשאין מסות בקרבתו. כעת, דמיינו שאתם ממקמים כדור באולינג על היריעה. אנו יודעים כי היריעה תימשך למטה על ידי כדור הבאולינג. הכדור יעקם את היריעה באופן דומה לאופן שבו מסות מעקמות את המרחב-זמן. כאשר אור עובר קרוב לאובייקט בחלל, הוא נע על גבי משטח מעוקם, אשר מעקם את גלי האור. ככל שמסת האובייקט גדולה יותר, כך האור מתעקם יותר. בעזרת תיאוריה זו, ביכולתנו לקבוע את המסה של אובייקט שמימי על ידי צפייה במידה שבה האור מכוכב שנמצא מאחוריו מתעקם.
באמצעות שימוש בשיטת עידוש כבידתי, מדענים קבעו את המסה הכוללת של צביר הקליע, לרבּות החומר האפל [5]. איור 2 מראה כי מרבית המסה של צביר הקליע אינה ממוקמת במקום שממנו נובעות פליטות קרני הרנטגן – כלומר, אינה מגיעה מהחומר שביכולתנו לראות. לכן, הגלקסיות האלה מורכבות מהרבה יותר חומר אפל בהשוואה לחומר רגיל.
- איור 2 - תמונה של צביר הקליע שצולמה על ידי נאס''א באמצעות טלסקופ החלל האבּל ומִצפה הרנטגן צַ'נְדְרָה.
- צביר הקליע הוא שילוב בין שתי גלקסיות שהתנגשו בעבר. האזורים הכחולים מייצגים את מרבית המסה בגלקסיות, שמורכבת מחומר אפל, והאזורים הוורודים הם חומר רגיל. ביכולתנו לְאַתֵּר חומר אפל באמצעות עידוש כבידתי, אשר מאתר את ההיסטים באור שמיוצר על ידי גופים שמימיים רחוקים [5]. הנקודות הבהירות מחוץ לאזורים הצבעוניים הן כוכבים וגלקסיות שאינם חלק מצביר הקליע (קרדיט – קרני רנטגן: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch et al.; אופטי: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al; מפת עידוש: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe et al.).
מה חומר אפל יכול להיות?
מדענים הציעו תיאוריות רבות שונות במטרה לנסות לפתור את חידת החומר האפל. חלקם מאמינים כי חומר אפל הוא פשוט חומר רגיל שמרוכז באובייקטים שקשה לְאַתְּרָם, כמו למשל כוכבי לכת גדולים או חורים שחורים. אולם, תצפיות מדעיות גורמות לתיאוריה הזו להיות לא סבירה.
אם כן, ממה מורכב חומר אפל? מדענים כבר גילו סוג חלקיק אחד שמרכיב חומר אפל, אשר נקרא נֵיטְרִינוֹ. ניטרינואים הם חלקיקים שאינם פולטים אור, ממש כמו חומר אפל. אולם, נייטרינואים יכולים להוות רק חלק קטן מכמות החומר האפל הכוללת. הסיבה לכך היא כיוון שהם קלים מדי, וכאשר נוצרו ביקום המוקדם, הם נעו מהר מדי. לפיכך, חלקיקים נוספים שעדיין לא התגלו צריכים להיות מעורבים. שני המועמדים המבטיחים ביותר הם חלקיקים שנקראים WIMPS ו-axions. סוגי חלקיקים אלה טרם נצפו, ובמסגרת ניסויים רבים הנערכים ברחבי העולם בימים אלה, מחפשים אחריהם.
סיכום
מעריכים כי חומר אפל מהווה כ-63% מכלל החומר ביקום (איור 3). יכולתנו להבין חומר אפל תסייע לנו ללמוד עוד על היקום, בכלל זה לגלות פרטים על אודות מקורו ואופן היווצרותו. ניסויים רבים נערכים ברחבי העולם, כולל ניסויים ב-LHC–מאיץ חלקיקים גדול, הממוקם בשווייץ,1 במטרה להתחקוֹת אחר טבעם של חלקיקים זעירים שיכולים ללמדנו על התנאים שבהם חומר אפל נוצר. עבודה רבה עוד צריכה להיעשות, אך דבר אחד בטוח – יש הרבה לְמָה לְצַפּוֹת בתחומים של אסטרופיזיקה ופיזיקת חלקיקים!
- איור 3 - תרשים עוגה המייצג את כל החומר שהיה נוכח 380,000 שנים אחרי לידת היקום.
- תוכלו לראות כי כמות החומר האפל גדולה הרבה יותר מכל סוגי החומר האחרים. כמותו זו נותרה זהה כיום [2], והמסה של היקום לא השתנתה הרבה מאז העידן שמוצג באיור. תרשים זה נוצר על ידי NASA/WMAP Science Team, והוא זמין לשימוש הציבור.
מילון מונחים
ספקטרום אלקטרו-מגנטי (Electro-Magnetic Spectrum): ↑ הטווח המלא של תדרי אור, מגלי רדיו ועד לקרני גמא וקרני רנטגן.
אורך גל (Wavelength): ↑ מדידה של אור, במיוחד של המרחק בין שיאים של גלי אור. אורכי גל של אור נמדדים בננומטרים (nm) ונמצאים בטווח שבין כ-400 ננומטרים (אולטרה-סגול) ל-700 ננומטרים (אינפרה-אדום), כאשר האור הנראה מצוי ביניהם.
חומר (Matter): ↑ כל דבר שיש לו מסה.
חומר אפל (Dark Matter): ↑ חומר שאינו פולט אור, ולכן לא ניתן לראותו באמצעות טלסקופים.
אסטרופיזיקאי (Astrophysicist): ↑ מדען שחוקר אובייקטים אסטרונומיים, כולל את היקום כולו.
מהירות (Velocity): ↑ המרחק שעוברים בין שתי נקודות בכל יחידת זמן נתונה. לדוגמה, מכונית שנעה במהירות 60 קמ”ש, עוברת מרחק של 60 קילומטרים בין נקודה A לנקודה B בתוך שעה אחת.
עידוש כבידתי (Gravitational Lensing): ↑ אור שנוצר על ידי גלקסיות רחוקות מתכופף ומתעוות כשהוא מְתַקְשֵׁר עם שדה הכבידה של כמויות מסה עצומות, כמו למשל צבירי גלקסיות.
מרחב זמן (Spacetime): ↑ מונח מתחום הפיזיקה לתיאור המרחב הארבּע-ממדי, שאותו נהוג לייצג על ידי מערכת קואורדינטות מרחביות וקואורדינטת זמן. כל נקודה במארג זה מציינת אירוע המתרחש בזמן ובמקום מסוימים.
ניטרינואים (Neutrinos): ↑ חלקיקים זעירים, קטנים יותר מאטומים, שאין להם מטען חשמלי. נייטרינואים הם אחד המרכיבים של חומר אפל.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
הערת שוליים
1. ↑ למידע על אודות LHC – לחצו כאן; למידע נוסף לגבי חומר אפל–לחצו כאן.
מקורות
[1] ↑ Garner, R. 2015. About the Hubble Space Telescope. Retrieved from: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html
[2] ↑ Ibarra, A. 2015. Dark matter theory. Nucl. Part Phys. Proc. 267–269:323–31. doi: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.126
[3] ↑ Bertone, G. and Hooper, D. 2018. History of dark matter. Rev. Mod. Phys. 90:045002. doi: 10.1103/revmodphys.90.045002
[4] ↑ Wambsganss, J. 1998. Gravitational lensing in astronomy. Living Rev. Relativ. 1:12. doi: 10.12942/lrr-1998-12
[5] ↑ Clowe, D., Bradač, M., Gonzalex, A. H., Markevitch, M., Randall, S. W., and Jones, C., et al 2006. A direct empirical proof of the existence of dark matter. Astrophys. J. Lett. 648:L109–13. doi: 10.1086/508162