חומר אפל

  • eso1217a.jpg

    הדמיית אומן של גלקסיית שביל החלב, ובה הפיזור המשוער של החומר האפל כהילה כחולה העוטפת אותו. קרדיט: ESO/L. Calçada

חומר אפל הוא חומר משוער בפיזיקה, שאי אפשר לראות אותו. מדענים רבים מניחים שהוא קיים, והנחה זו עוזרת לפתור תעלומה גדולה, שניכרת בבירור כשמתבוננים בגלקסיות ברחבי היקום. 

 

כדי להבין את התעלומה שנעוצה בגלקסיות ביקום, צריך ראשית להתבונן בקרוסלה השמיימית שלנו, מערכת השמש: ככל שכוכב לכת קרוב יותר למרכז הקרוסלה, כלומר לשמש, כך הוא מסתובב מהר יותר. כוכב חמה, כוכב הלכת הקרוב ביותר לשמש, מסתובב סביב השמש במהירות של כ-170,000 קמ"ש, ואילו כוכב הלכת הרחוק ביותר מהשמש, נפטון, "מזדחל" סביבה במהירות הנמוכה מ-20,000 קמ"ש. האיזון הזה בין המרחק ממרכז המסה למהירות נגזר מחוקי ניוטון, והיה אפשר להניח שאותו איזון יישמר גם בגלקסיות: ככל שכוכב רחוק יותר ממרכז המסה של הגלקסיה, כך הוא יקיף אותה לאט יותר. אבל פה קורה משהו מוזר, וכבר במאה ה-19 הבחינו בו אסטרונומים: הכוכבים בשולי הגלקסיות מקיפים את מרכזי הגלקסיות במהירות רבה מדי ביחס למקומם. 

 

כדי להסביר כיצד הכוכבים האלה אינם משתחררים מהגלקסיה, כלומר אינם עפים מהקרוסלה, הוצעה השערה: אולי במרכז הקרוסלה יש יותר מסה ממה שחשבנו. המסה הנוספת תסביר את כוח המשיכה הנוסף שפועל לכאורה על הכוכבים הרחוקים ושומר אותם במסלול. אולי, חשבו המדענים, יש חומר בלתי נראה שמשפיע כבידתית על סביבתו אבל אינו פולט אור: חומר אפל. 

 

בעיית המסה החסרה

המוזרות המטרידה הזו, שלימים כונתה "בעיית המסה החסרה", שמטה לסתות ברחבי העולם בשנת 1962: האסטרונומית ורה רובין גילתה אז כי גלקסיית שביל החלב, גלקסיית הבית שלנו, מסתובבת במהירות גדולה כל כך, שלפי חוקי ניוטון היא כבר הייתה אמורה להתפרק מזמן. כדי להסביר את מהירות סיבוב הגלקסיה, חישבה רובין, יש להכפיל את מסתה פי עשרה! פירושו של דבר שעל כל חלקיק "רגיל" בגלקסיה שלנו יש להוסיף תשעה חלקיקי חומר אפל.

 

 

אבל בעיית המסה החסרה אינה מוגבלת לגלקסיות. לפי תאוריית המפץ הגדול, היקום כולו החל את דרכו מנקודה אחת לפני 13.8 מיליארד שנה – ומאז הוא מתפשט והולך. אלא שגם כאן נשמר איזון מסוים: מהירות ההתפשטות דוחפת את החומר החוצה, כוח הכבידה מושך את החומר פנימה. בשנות ה-80 של המאה ה-20 העריכו מדענים שאין ביקום מספיק חומר כדי להסביר את היווצרותם של כל המבנים היפים שאנו רואים היום, כמו גלקסיות וכוכבים, בזמן "קצר" כל כך כמו 13.8 מיליארד שנה. החומר הנראה ביקום לא היה מספיק ליצירת כוח כבידה שיאפשר לו לקרוס אל תוך עצמו ולהסתדר במבנים האלה בזמן הזה, והיקום שלנו אמור היה להיות עדיין חלקיקים מפוזרים במרחב. גם כאן הייתה שימושית ההנחה שחייב להיות חומר אפל, נסתר, המסביר את כוח הכבידה העצום הנדרש להיווצרות המבנים הללו. כיוון שניתן לחשב בהערכה גסה את כוח הכבידה של הכוכבים ביקום, מדענים הכריזו כי ייתכן שהיקום שלנו מורכב מ-95% חומר בלתי נראה.

 

התמונה השתנתה ב-1998, כשטלסקופ החלל האבל גילה תגלית מפתיעה: התפשטות היקום אינה נבלמת כלל – היא הולכת ומאיצה. את זה שום חומר – אפל או לא – אינו יכול להסביר. לשם כך הומצאה קטגוריה חדשה של אנרגיה: אנרגיה אפלה. לפי המודל המקובל כיום על מרבית החוקרים, היקום שלנו מורכב מכ-70% אנרגיה אפלה וכ-25% חומר אפל. משמעות הדבר היא שכל החומר המוכר לנו – כל גרמי השמיים שביקום והאטומים שמהם הם עשויים – הם רק כ-5% מהחומר והאנרגיה שקיימים ביקום. 

 

ממה עשוי החומר האפל

מה יכול להיות אותו חומר חמקמק שנקרא חומר אפל? לפי השערה אחת, החומר האפל הוא חומר סטנדרטי: חורים שחורים, כוכבי לכת תועים, ננסים חומים וגופים אחרים העשויים מבאריונים מוכרים (חלקיקים תת-אטומיים כמו נֵיטרונים ופרוטונים), ואנו איננו יכולים לראות אותם כי הם עמומים מדי. תאוריה זו נפסלה מכמה סיבות. למשל, כמות גדולה כל כך של חומר באריוני הייתה אמורה להשפיע גם על הקרינה האלקטרומגנטית ולגרום עיוותים הנקראים עידוש כבידתי, בשל הסטה של האור על ידי הכבידה. תופעה זו לא נראתה בתצפיות. 

הסבר מקובל יותר הוא שמדובר בחומר מסוג חדש לחלוטין, שטרם גילינו, והוא אינו מקיים אינטראקציות אלקטרומגנטיות (אם נאיר עליו בפנס, למשל, הוא לא יחזיר את האור). אם אכן מדובר בחלקיקים בלתי מוכרים, הם אמורים להיות בכל מקום – גם סביב המכשיר שבו אתם קוראים מילים אלו ברגעים אלו ממש. לדעת פיזיקאים, ייתכן שבכל שנייה זורמים מיליארד חלקיקים כאלה בכל מטר רבוע של כדור הארץ – גם בגוף שלנו. השאלה, כמובן, היא כיצד מזהים אותם. במשך שנים, ובעלות של מיליארדים, מדענים בונים חיישנים משוכללים להפליא כדי לנסות לתפוס את הרגע שבו אטום יתנגש בחלקיק חומר אפל ויעיד כך על קיומו של החלקיק המסתורי, אך בינתיים המאורע המיוחל לא קרה. אם החומר האפל הוא אכן חומר מסוג חדש, שטרם נתקלנו בו,  ייתכן שהוא מקיים אינטראקציה חלשה ביותר עם החומר הרגיל, חלשה מכדי שנוכל להבחין בה.

 

 

האם החומר האפל קיים?

יש מדענים המביטים מהצד בניסיונות אלה וצוחקים. לדידם, עדיין לא מצאנו חומר אפל כי אין חומר אפל. אופוזיציה חשובה לתאוריית החומר האפל נקראת "דינמיקה ניוטונית מתוקנת", או MOND, ובראשה עומד הפיזיקאי הישראלי פרופ' מרדכי מילגרום ממכון ויצמן למדע. אם המשוואות של ניוטון אינן יכולות להסביר את הדינמיקה של גלקסיות, טוען מילגרום, אין צורך להמציא סוג חדש של חומר, אלא יש לשנות את המשוואות. ייתכן, טוענים מילגרום ועמיתיו, שבמרחקים שונים משתנה גם תאוצתם של גופים בעלי אותה מסה. הרי המרחקים בין כוכבי לכת לכוכבי שבת בטלים בשישים לעומת המרחקים הבלתי נתפסים בין הכוכבים שבשולי הגלקסיה למרכזה. החוק הפיזיקלי המסביר את מהירות ההקפה של כדור הארץ סביב השמש במרחק של 150,000,000 ק"מ, טוענים אנשי ה-MOND, אינו תקף כשבאים לתאר את ההקפה של השמש סביב מרכז הגלקסיה במרחק של 1,000,000,000,000,000,000 ק"מ. כשם שמשוואות התנועה של ניוטון מספיקות לחישוב מסלוליהן של חלליות במערכת השמש, אך במהירויות גבוהות המשוואות שגויות ונזקקות לתיקון של תורת היחסות – כך גם כאן.

 

ויש עוד אפשרות: כל החומר החסר שחיפשנו נמצא בתווך שבין הגלקסיות. ב-2020 התפרסם מחקר שבו מדדו מדענים התפרצויות גלי רדיו מהירות שמקורן מחוץ לגלקסיה שלנו. כשהחוקרים מדדו את פיזור הקרניים הם גילו עדויות לכך שבתווך שבין הגלקסיות הקרינה הזו מתנגשת בכמות עצומה של גז מיונן (הפרוטונים והאלקטרונים נפרדים אלה מאלה). כיוון שגז זה דליל מאוד, אי אפשר להבחין בו באמצעות טלסקופים. אלא שהצטברות של גז מיונן משפיעה על גלי רדיו: הגז מאט את אורכי הגל וכך עוזר להבחין ביניהם, בדיוק כפי שאור לבן מתפזר לצבעי הקשת. החוקרים מדדו את פיזורה של קרינת גלי הרדיו וחישבו כמה חומר יש בין הגלקסיות ומה צפיפותו. הם טוענים כי לפי חישוביהם, צפיפות הגז היא הפתרון לבעיית המסה החסרה, וכל החומר שנעלם מעיניהם של מדענים עד כה היה למעשה בגז המיונן שבין הגלקסיות.

 

מדענים אמנם עוד לא אמרו נואש מלמצוא עדויות לקיומו של החומר האפל. גילוי כזה ודאי יזכה את האחראי לו בפרס נובל. אבל ייתכן גם שבסופו של דבר, הקהילה המדעית תסכים כי יש פיתרון אחר לתעלומה, וכלל אין צורך ברעיון החומר האפל. 

 

אולי תאהבו גם