מהו חומר אפל?
חומר אפל באסטרונומיה ובקוסמולוגיה, כמו גם בפיזיקה תיאורטית - צורה
מושג החומר האפל מובא לתיאורטיהסברים לבעיית המסה הנסתרת בהשפעות מהירות סיבוב גבוהה באופן חריג של האזורים החיצוניים של הגלקסיות ועדשות הכבידה (הם כוללים חומר שמסתו גדולה בהרבה ממסת החומר הגלוי הרגיל); בין היתר, זה הכי משביע רצון.
ההרכב והטבע של החומר האפל במציאותרגע לא ידוע. במסגרת המודל הקוסמולוגי המקובל, המודל של החומר האפל הקר נחשב לסביר ביותר. המועמדים הסבירים ביותר לתפקיד החלקיקים הם wimps. למרות חיפושים פעילים, הם עדיין לא נמצאו בניסוי.
המונח "חומר אפל" עצמו עשוי להיות הראשוןשימש להערכת מסת הכוכבים בגלקסיה על סמך התפלגות המהירויות שלהם. בסופו של דבר, המונח החל לשמש בדיוק במובן של חומר בלתי ניתן לצפייה, שניתן לשפוט את קיומו רק על פי השפעתו הגרביטציונית.
מפה תלת מימדית של התפלגות החומר האפל, שנבנתה בשיטת עדשות גרביטציה חלשות במסגרת פרויקט COSMOS.
תיאוריות אלטרנטיביות לקיומו של חומר אפל
- תאוריות כובד חלופיות
כשמנסים להסביר את התופעות שנצפו,על בסיסו, בסיכומו של דבר, הושגה מסקנה בדבר נחיצות קיומו של חומר אפל, מבלי לערב מושג זה, הובאו תחילה שיקולים בדבר תקפותם של חוקי הגומלין הכבידיים המקובלים במרחקים גדולים.
המפורסם ביותר הוא השינוידינמיקה ניוטונית (MOND) היא תיאוריה שהוצעה בתחילת שנות ה-80 על ידי האסטרופיזיקאי הישראלי מרדכי מילגרום, שהיא שינוי של חוק הכבידה המייצר אינטראקציות חזקות יותר באזורים מסוימים בחלל באופן שמסביר את הצורה הנצפית של עקומות הסיבוב של הגלקסיות. .
בשנת 2004, הפיזיקאי העיוני יעקבבקנשטיין, גם הוא מישראל, פיתח הכללה רלטיביסטית של השערה זו - תורת הכבידה טנזור-וקטור-סקלרית, שמסבירה גם את ההשפעות הנצפות של עדשת כבידה.
בנוסף, בשנת 2007, הפיזיקאי הקנדי ג'ון מופאט הציע את תיאוריית הכבידה שלו, שנקראת גם תיאוריית הכבידה הסקלרית-טנזור-וקטורית.
תומכי תיאוריות כבידה מתוקנותשקול את המחסור הנוכחי בתוצאות חיוביות מניסויים בזיהוי ישיר של חלקיקי חומר אפל כטיעון לטובתם.
בינתיים, כיום רוב המדעניםאינו מכיר ב-MOND, שכן חישובים המבוססים עליו מצביעים על חוסר העקביות שלו. הבעיה עם תיאוריות כבידה אלטרנטיביות היא שגם אם הן מספקות הצדקה להשפעות אינדיבידואליות שהן תוצאות של קיומו של חומר אפל, הן עדיין לא לוקחות אותן בחשבון כמכלול.
הם לא מסבירים את ההתנהגות שנצפתהמקבצי גלקסיות מתנגשים ואינם עולים בקנה אחד עם הטיעונים הקוסמולוגיים לנוכחות כמויות גדולות של חומר בלתי נראה בלתי-בריוני ביקום המוקדם.
אשכול 2218 אשכול הגלקסיות
- קוסמולוגיית פלזמה
תיאוריה זו פותחה בשנות השישיםעל ידי פיזיקאי שוודי בשם האנס אלפבן (חתן פרס נובל לשנת 1970 לגילויים במגנטודינמיקה) - בכך הוא השתמש בחוויה של מחקריו על פלזמה קרובה לכדור הארץ (אורורה בוריאליס) ועבודתו המוקדמת של כריסטיאן בירקלנד.
הבסיס של התיאוריה הוא ההנחה שכוחות חשמליים משמעותיים יותר במרחקים גדולים (בקנה מידה של צבירי גלקסיות וגלקסיות) מאשר כוח הכבידה. אם נניח שפלזמה ממלאת את היקום כולו ובעלת מוליכות טובה, אזי היא יכולה להוליך זרמים חשמליים עצומים (כ-1017-1019 אמפר) בסולם של עשרות מגה-פארסק.
זרמים כאלה יוצרים שדה מגנטי גלקטי רב עוצמה, אשר בתורו יוצר את המבנה של שתי הגלקסיות ושל הצבירים שלהן (חוטים או חוטים גלקטיים).
הנוכחות של שדה כה חזק מסבירה בקלותהיווצרותן של זרועות גלקטיות (עדיין אין הסכמה על הסיבה להיווצרותן של זרועות גלקטיות), התפלגות מהירות הסיבוב של דיסקים גלקטיים מהרדיוס, מבטלת את הצורך להחדיר הילה של חומר אפל.
אבל כרגע, האסטרופיזיקה המודרנית לא צופה בזרמים חזקים כל כך בקנה מידה של עשרות מגה-פארסקים, וגם לא בשדות מגנטיים בין-גלקטיים ובין-גלקטיים גבוהים.
הנחות קוסמולוגיה של פלזמה עלמבנה התאים החוטים וההומוגניות של היקום בקנה מידה גדול (מה שנקרא מבנה בקנה מידה גדול של היקום), שנעשו על ידי אלפוון ואנתוני פרת, אושרו באופן בלתי צפוי על ידי תצפיות בסוף שנות השמונים והתשעים, אך תצפיות אלה הן גם מוסבר במסגרת מודלים קוסמולוגיים מקובלים.
כדי להסביר את המבנה החוטי של היקום בנכון להיום, נעשה שימוש בתיאוריה של היווצרות חוטים עקב אי יציבות כבידה (בתחילה, חלוקה כמעט אחידה של מסה מתרכזת בקוסטיקה ומובילה להיווצרות חוטים), על מבנים גדלים של חומר אפל, שלאורכם מבנה הגלוי לעין. נוצר חומר (מקורו של מבנה כזה של חומר אפל מוסבר על ידי תנודות קוונטיות בתהליך האינפלציה).
נכון לעכשיו, קוסמולוגיית פלזמה כהתיאוריה אינה פופולרית, מכיוון שהיא מכחישה את התפתחות היקום בדרך של המפץ הגדול. מצד שני, אם נפקיר את תיאוריית המפץ הגדול ונחשיב את עידן היקום לגדול בהרבה מ- 13.5 מיליארד שנה, אז ניתן להסביר את המסה הנסתרת במידה רבה על ידי אובייקטים מסוג MACHO כמו גמדים שחורים, המתפתחים מגמדים לבנים התקררו במשך עשרות מיליארדי שנים ...
- חומר מממדים אחרים (יקומים מקבילים)
כמה תיאוריות חוץ-ממדיות מקבלות את כוח הכבידה כסוג ייחודי של כוח שיכול לפעול על המרחב החוץ-ממדי שלנו.
הנחה זו עוזרת להסבירהחולשה היחסית של האינטראקציה הכבידתית בהשוואה לשלושת האינטראקציות הבסיסיות האחרות (אלקטרומגנטיות, חזקות וחלשות): כוח המשיכה חלש יותר, מכיוון שהוא יכול לתקשר עם חומר מסיבי במימדים נוספים, לחדור למחסום שאינו נגיש לאינטראקציות אחרות.
מכאן נובע שאפקט החומר האפל יכוללהיות מוסבר באופן הגיוני על ידי האינטראקציה של חומר גלוי מהממדים הרגילים שלנו עם חומר מסיבי מממדים אחרים (חוץ, בלתי נראים) באמצעות כוח הכבידה. יחד עם זאת, הממדים הללו והעניין הזה שבהם אינם יכולים לחוש סוגים אחרים של אינטראקציות בשום אופן, אינם יכולים לתקשר איתו.
חומר בממדים אחרים (למעשה ביקום מקביל) יכולים להיווצר למבנים (גלקסיות, צבירי גלקסיות, חוטים) באופן דומה למדידות שלנו או ליצור מבנים אקזוטיים משלהם, שבמדידות שלנו מורגשים כהילה כבידה סביב גלקסיות גלויות.
תוצאות מודלים מספריים של התפתחות מבנה היקום
- פגמים במרחב הטופולוגי
חומר אפל יכול להיות רק ראשוני(שנוצר בזמן המפץ הגדול) פגמים בחלל ו / או בטופולוגיה של שדות קוונטיים שיכולים להכיל אנרגיה, ובכך גורמים לכוחות כבידה.
ניתן לחקור הנחה זו ומאומת באמצעות רשת מסלולית של גשושי חלל (מסביב לכדור הארץ או בתוך מערכת השמש) המצוידת בשעון אטומי מדויק, מסונכרן באופן רציף (באמצעות GPS), שיתעד את המעבר של פגם טופולוגי כזה דרך רשת זו.
האפקט יופיע כלא מוסבר (נפוץסיבות רלטיביסטיות) אי התאמה למהלך השעונים הללו, שיש לה התחלה ברורה ועם הזמן, הסוף (תלוי בכיוון התנועה ובגודל של פגם טופולוגי כזה).
גלקסיה ללא חומר אפל
מדענים מוצאים גלקסיות ללא חומר אפל, אך אין דרך להסביר כיצד נוצרו.
- NGC1052-DF2
בגלקסיית NGC1052-DF2, יש לפחות פי 400 פחות חומר אפל ממה שצריך להיות.
תוצאות מדידות שבוצעו באמצעותגם טלסקופ 10 המטרים של מצפה הכוכבים קק וטלסקופ החלל האבל (אלה הם המכשירים האסטרונומיים הטובים ביותר הקיימים כיום) מודים שאין חומר אפל כלל ב-NGC1052-DF2.
הגלקסיה הזו, הנראית רק דרך טלסקופים גדולים,בעל עוצמת בהירות כוללת ברמה של 100 מיליון כוכבים כמו השמש, והמסה שלו גבוהה פי 200 מיליון בערך מהמסה של השמש - לפי פרמטרים אלה, NGC1052-DF2 לא בולט יותר מדי מהסדרה הכללית.
אבל מה נמצא בתוך עשר שלהעצמים בהירים יחסית, ובשל כך, במספר תמונות, הגלקסיה מתגלה כמערכת של נקודות אור במקום ענן מטושטש, היא עובדה מעניינת הרבה יותר; הוא הוא שאילץ אסטרונומים לפרוס טלסקופים בלוח זמנים צפוף לעבר NGC1052-DF2.
לדברי החוקרים, נקודות האור הללוהם צבירי כוכבים כדוריים, אך מספרם ותפוצת הזוהר שלהם כה יוצאי דופן, שאסטרונומים אפילו סירבו לדבר בפירוט על עצמים אלה בפרסום זה והבטיחו לחזור לכך ביתר פירוט בפרסום אחר, עדיין בתהליך הכנה.
אם נשווה את NGC1052-DF2 עם אחריםגלקסיות בעלות אותה מסה, אז ההילה הבלתי נראית של החומר האפל צריכה להיות כבדה פי ארבע מאות ממה שאסטרונומים מוצאים, תוצאה יוצאת דופן ביותר.
- NGC 1052-DF4
מדענים מתארים תוצאות נוספותתצפיות שאפשרו הערכות אמינות יותר של פיזור מהירות בהתבסס על תנועות כוכבים. כתוצאה מכך, אסטרונומים קיבלו ערך של 8.5 קילומטרים לשנייה עם שגיאות קטנות באופן ניכר (כ-30%).
מנתונים אלה עולה כי המסה הכוללתהגלקסיה שווה בערך למסת החומר המאיר, מה שמבטל את הצורך בהחדרת חומר אפל במקרה זה. מדענים גילו בקרבת מקום גם גלקסיה דומה NGC 1052-DF4, שגם לה הייתה פיזור נמוך מאוד של מהירויות כוכבים - כ -4.2 ק"מ לשנייה, אך הטעויות במקרה זה הן כ -80%.
לדברי המחברים, הנתונים המתקבלים גבוהיםאיכויות מספקות עדות משכנעת לקיומה של לא רק גלקסיה אחת יוצאת דופן ללא חומר אפל, אלא גם סוג חדש של עצמים דומים.
הם גם מזכירים לך שתוצאות אלה אינןבשום אופן לא להפריך את ההשערה של חומר אפל, אלא להפך, מאשרים את נחיצותה: אם ההשפעות שתוארו על ידי זה נוצרו בפועל על ידי חומר רגיל, אז מצב כזה לא יכול היה להיווצר, ומכיוון שנמצא אובייקט ללא חומר אפל. , אז זה מדבר בדיוק על קיומם של שני סוגים נפרדים של חומרים שאינם קשורים ישירות.
כיצד גלקסיות יכולות להתקיים ללא חומר אפל?
גלקסיות שלפי תצפיות,לא מכילים כמעט חומר אפל - חומר שמקיים אינטראקציה חלשה עם החומר הסובב, שלדעתו אחראי ל-26.8% ממסת היקום - מסבך את הבנתם של האסטרונומים לגבי טבעו של החומר הזה.
חפצים כאלה שהתגלו כתוצאה מהתקופה האחרונהתצפיות אלה מערערות על המודל הקוסמולוגי Lambda-CDM שאומץ על ידי אסטרופיסיקאים, ולפיו כל הגלקסיות צריכות להיות מוקפות בהילה מסיבית של חומר אפל.
חפצים נטולי חומרים כהים הם לא מאודנלמד היטב על ידי אסטרונומים. אחת הדרכים ללמוד את המנגנונים האפשריים להיווצרותם היא להתבונן בכמה מהם בשלבי התפתחות שונים. עיבוד מידע על גלקסיות באמצעות מודל מחשב מאפשר להתחקות אחר התפתחותן.
על מנת להבין את המבנה של אלהאובייקטים, מדענים עיצבו את האבולוציה שלהם באמצעות מודל Illustris, הלוקח בחשבון את מחזורי החיים של הכוכבים, את השפעתם של סופרנובות וחורים שחורים, והתמזגות של גלקסיות. החוקרים מצאו במערכת שנוצרה על ידי המודל, כמה "גלקסיות ננסיות" עם מספר זהה של כוכבים, מספר הצבירים הכדוריים ומסת החומר האפל.
כפי שהשם מרמז, גלקסיה ננסיתקטן ומורכב מכמה מיליארדי כוכבים. לעומת זאת, שביל החלב, שמקיף יותר מ-20 גלקסיות ננסיות ידועות, מכיל בין 200 ל-400 מיליארד כוכבים.
אשכולות כדוריים משמשים לעתים קרובות להערכהתוכן של חומר אפל בגלקסיות, במיוחד בכמויות קטנות. אסטרופיזיקאים גילו כי גלקסיות ננסיות איבדו 90% מחומרן האפל כתוצאה מ"דחיקת "החומר המרכיב שלהן בכוחות הכבידה שלהן.
מה השורה התחתונה?
גילוי של חורים שחורים ללא חומר אפל אינו אפשריאומר שזה לא קיים. להיפך, גלקסיה ללא התפלגות אופיינית של כוכבים לפי מהירות מערערת את עמדות התיאוריות המנסות לייחס את תוצאות התצפית לאפקט אוניברסלי כלשהו שאינו קשור לחומר אפל.
זה בדינמיקה ניוטונית שונהכוכבים צריכים תמיד להסתובב סביב מרכז הגלקסיות בערך באותה מהירות, ו-NGC1052-DF2 משחק נגד הדגם הזה, שכבר איבד את תמיכתם של מומחים רבים.
להודות בקיומה של גלקסיה ללא חושךמה שכן, האסטרופיזיקה המודרנית עשויה בהחלט, בעוד שהרעיון שחוק הגרביטציה האוניברסלית פועל באופן סלקטיבי בחלקים שונים של היקום הוא לפחות מוטל בספק.
קרא עוד
הקרחון הגדול בעולם קרס, שברים מיהרו צפונה. זה מסוכן?
עקבות של דלק רקטות נמצאו בירח של שבתאי ריאה. מהיכן זה מגיע?
הפלה ומדע: מה יקרה לילדים שילדו