אסטרונומים נמצאים עדיין בשלב מוקדם בכל הנוגע לשאלות הנוגעות לטבעו ותכונותיו של החומר האפל.
התיאוריה על קיומו של החומר הזה הייתההציגו לפני יותר מ-40 שנה כהסבר לאי ההתאמה בין המסה של כל העצמים הנראים בגלקסיה לבין מסת הגלקסיה עצמה. האסטרונומית ורה רובין, שגילתה לראשונה את הפער, קבעה שהחומר הבלתי נראה הזה נפוץ ביותר ומהווה את רוב היקום. היום אנו מכירים את החומר הזה כחומר אפל.
ורה רובין. צילום: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
למרות האסטרונומים יש לפחות שלושהעדות לכך שחומר אפל קיים, אף אחד מהניסיונות לאתר ראיות ישירות לקיומה ולקבוע את תכונותיו לא הצליח.
עם זאת, עבודתם של מדענים מאוניברסיטת ייל בבראשותו של פיטר ואן דוקום, שפורסם בכתב העת Nature במארס 2018, מדענים יותר מאשר אי-פעם קירבו מדענים למציאת הוכחה נוספת לקיומו של חומר זה.
מה יודעים האסטרונומים על החומר האפל?
חומר אפל הוא חומר שאינואינטראקציה עם עניינים אחרים באמצעות אלקטרומגנטית (EM) או כוחות גרעיניים חזקים. היעדר אינטראקציות אלקטרומגנטיות אומר כי הוא אינו יכול לפלוט, לספוג, לשקף, לשבור או לפזר אור. זה, כמובן, עושה את זה נושא מסובך למדי עבור תצפית. עם זאת, כ 85% מכלל החומר ביקום הוא חומר אפל.
עד כה, למדענים אין ראיות מעשיות לכך שחומר אפל אכן קיים, אבל יש תיאורטית. הנה שלוש הגדולות.
עקומות סיבוב גלקטיות
כאשר אובייקט אחד מסתובב סביב אחר,אובייקט במסלול חייב להיות מואץ ללא הרף למרכז (או, ליתר דיוק, שניהם להאיץ למרכז משולב שלהם המונית). ללא האצה זו, הגוף המסלול פשוט יעוף משם.
מהר יותר את הגוף Orbital נע,נדרשת יותר האצה כדי לשמור אותו במסלול. מכיוון שבמקרה זה ההאצה נובעת מכוח הכבידה, משמעות הדבר היא שהמסה המרכזית חייבת להיות גדולה יותר.
ידע זה מאפשר למדענים "לשקול" שוניםחלקים של הגלקסיה, כמו גם למדוד מהירויות סיבוביות, השוואת היסטים אדומים על הצדדים המתקרבים והמנוטים של הגלקסיה. כאשר שקלול, אסטרונומים רואים אי התאמה בין המסה של כל האובייקטים בגלקסיה לבין המסה הכוללת שלה.
היסט לאדום- תזוזה של קווים ספקטרליים של יסודות כימייםלצד האדום (אורך גל ארוך). תופעה זו עשויה להיות ביטוי של פיזור מפוזר חלש, אפקט דופלר או הסטה לאדום כבידה, או שילוב של אלה. השינוי של קווים ספקטרליים בספקטרום של גרמי השמיים תואר לראשונה על ידי הפיזיקאי הצרפתי Hippolyte Fizeau בשנת 1848 והציע את אפקט דופלר שנגרם על ידי המהירות הרדיאלית של הכוכב כדי להסביר את השינוי.
עדשות כבידה
על פי תורת היחסות הכללית, כלהזמן שהוא עובר בשדה הכבידה מעוות במקצת. הוא פועל כעדשה כבידה ויכול לייצר, למשל, "טבעות איינשטיין", כמו בתמונה למטה.
תורת היחסות הכללית של איינשטיין קובעתכי כוח הכבידה של עצמים בחלל גדול כמו גלקסיות מכופף את החלל סביבו ומסיט את קרני האור. כאשר זה קורה, דימוי מעוות של גלקסיה אחרת - מקור האור.
"טבעת איינשטיין" בתמונה לעיל היאדימוי מעוות של גלקסיה אחת (היא מסומנת בכחול), הממוקמת מאחורי הגלקסיה השנייה (האדומה) שבמרכז. אור כחול מתפשט לכל הכיוונים, אבל הוא כפוף בחומרתה של גלקסיה אדומה. משמעות הדבר היא כי האור, אשר, למשל, היה מכוון ישירות אל כדור הארץ, לעולם לא יגיע כוכב הלכת שלנו - בניגוד האור, אשר היה כיוון אחר, אבל היה מעוות על ידי עדשה ומתקדמת כאילו מכל הכיוונים בבת אחת. תהליך זה מסביר את המראה של הטבעת.
בעדשות כבידה חלשות, סטטיסטיניתוח העיוותים באור שאנו מקבלים מאפשר לנו "להבחין" בשדה הכבידה בין כדור הארץ לגלקסיות רחוקות. לעתים קרובות יש יותר מסה - ולכן יותר חומר - בתחום הזה ממה שמדענים יכולים להסביר.
דוגמה לעדשת כבידה, שמנקודת המבט של התיאוריה הקיימת מוכיחה את נוכחותו של חומר אפל, היא צילום של צביר הגלקסיות Bullet, הממוקם בקבוצת הכוכבים קארינה.
התמונה מציגה את תוצאות ההתנגשות של שתי גלקסיות. האדום בתמונה מציג אזורים של חומר גלוי, הכחול מראה חומר אפל, שנוכחותו נקבעת על ידי עדשת כבידה.
הבחנה זו נובעת מכךרוב החומר המאיר באשכול של גלקסיות נמצא במדיום פנימי - בפלסמה חמה ודחוסה. כאשר חלקים של הפלסמה מתנגשים זה בזה, כמות משמעותית של החומר מאטה ונשארת במרכז. אבל החומר הכהה מקיים אינטראקציה חלשה עם החומר, כך שמרכיביו משני אשכולות יכולים לעבור באופן חופשי זה מזה - הדבר מוביל להפרדה המוצגת בתמונה.
קרינה ריאלית
במהלך מאות אלפי השנים הראשונות לאחר מכןבמפץ הגדול, היקום היה חם מספיק כדי להפוך למיונן גבוה. זה הפך אותו באופן זמני לכמעט אטום לאור - הפוטונים הסתובבו כמו כל חלקיק אחר. עם זאת, כשהדברים התקררו מספיק, כמויות משמעותיות של פרוטונים ואלקטרונים השתלבו ויצרו מימן ניטרלי, שהפך שקוף מספיק לרוב האור המקיף אותו. תהליך זה קרה די מהר (במונחים של זמן קוסמולוגי) - כתוצאה מכך, כל האור הכלול ביקום, יחסית, שוחרר לפתע החוצה, תוך צילום תמונת מצב באותו שלב של התפתחותו. זוהי דרך פשוטה לתאר את קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל.
כדי לזהות את האור הזה, מדענים יכוליםלכוון טלסקופים רדיו לכל כיוון, ובהתאם לאזור התצפית, הטמפרטורה תשתנה מעט. ההבדל בטמפרטורה מוסבר על ידי נוכחות או היעדר חומר אפל באזור זה.
מה הוא יוצא דופן נמצא בגלקסיה הראשונה?
DF2 היא גלקסיה שהיא חלק מקבוצה גדולהבראשות הגלקסיה האליפטית המסיבית NGC 1052. הגלקסיה משכה את תשומת לבם של מדענים מכיוון שהיא נראתה אחרת בתמונות שצולמו על ידי סקר השמים הדיגיטלי של שפירית וסלואן (SDSS). בראשון, הגלקסיה הופיעה כנקודה של אור קלוש, בעוד שבשנייה היא הייתה קבוצה של עצמים נקודתיים.
בהתבסס על תצפיות אלה, מדענים בראשותפיטר ואן דוקום זיהה עשרה צבירים כדוריים (קבוצות גדולות של כוכבים ישנים) בתוך הגלקסיה וגילה שהם נעים פי שלושה לאט יותר מאשר אם היה הרבה חומר אפל. העובדה היא שאם מסת הגלקסיה הייתה גדולה מהמסה של עצמים גלויים, הצבירים היו מסתובבים מהר יותר.
הקהילה המדעית העריכה את הפרסום בביקורתיות- הטעות של החוקרים הייתה שהם צפו רק בעשרה אשכולות ורק במשך שני לילות. הספקנים האמינו שייתכן שהמדענים התעלמו מפרטים מרכזיים על תנועתם של צבירי כוכבים, וכתוצאה מכך הערכותיהם לגבי המסה והחומר הנראה של הגלקסיה היו מוטות.
ובשנייה?
הדרך היחידה להוכיח את נכונותםהתצפית היתה החיפוש אחר גלקסיה שנייה, שתכיל כמות מינימלית של חומר אפל - ובמארס 2019 התגלה גלקסיה שכזו.
החוקרים פרסמו שני מאמרים מדעיים - בהם היו הראשונים למדוד מחדש את המסה של DF2 באמצעות המצלמה המתקדמת של האבל והטלסקופ של 10 מטר במצפה הכוכבים קק בהוואי. הפעם, אסטרונומים צפו לא רק את מהירות התנועה של הצבירים, אלא גם את מהירות הסיבוב של הכוכבים שבתוכם. כתוצאה מכך, מדענים קבעו כי DF2 היא גלקסיה שקופה במיוחד מפוזרת, שגודלה זהה בערך לשביל החלב. רק שהיו בו בערך פי 200 פחות כוכבים.
המאמר השני הוקדש לגילוי כזהגלקסיות DF2 - DF4, הנמצאות באותו צביר ליד הגלקסיה NGC 1052. החוקרים מאמינים כי ראשית, גלקסיות בעלות כמות מינימלית של חומר אפל אינן נדירות, ושנית, שגלקסיה גדולה יכולה "לגנוב" את החשכה משנה משכניהם הקטנים יותר.
כיצד יכול היעדר חומר אפל להיות עדות לקיומה?
כדי להבין את ההצהרה כי היעדר חושךהחומר בשתי גלקסיות מאשר את נוכחותו ביקום בהתאם לתורת היחסות הכללית, ראוי לשקול את הביקורת על הרעיון של נוכחות החומר האפל.
מדענים מסוימים אינם מסכימים לכך ביקוםיש חומר אפל, וראיות תיאורטיות לנוכחותו מיוחסות למה שמכונה "הדינמיקה הניוטונית החדשה" (MOND). תיאוריה חלופית זו אומרת כי כוח הכבידה בקנה מידה קוסמי אינו פועל כפי שניבא אייזק ניוטון או אלברט אינשטיין. משמעות הדבר היא כי התיאוריה הכללית של תורת היחסות, שבה תיאוריות על קיומו של החומר האפל בנויים, לא עובד במקרה של גלקסיות.
לדוגמה, הפיזיקאי התיאורטי אריק ורלינד מאוניברסיטת אמסטרדם פרסמה מאמר מדעי ב-2016 שבחן את כוח הכבידה כתוצר לוואי של אינטראקציות קוונטיות והציע שכוח המשיכה הנוסף המיוחס לחומר אפל הוא אפקט של אנרגיה אפלה - אנרגיית רקע השזורה במרקם המרחב-זמן של היקום.
במילים אחרות, ורלינד מאמינה שחומר אפל אינו חומר, אלא רק אינטראקציה בין חומר רגיל לאנרגיה אפלה.
גילוי מדענים מאוניברסיטת יילמוכיח כי ניתן להפריד בין החומר האפל לבין החומר הרגיל, בתנאי ששתי הגלקסיות שזוהו יפעלו בהתאם לתורת הכבידה הסטנדרטית. כלומר, את התהליכים המתרחשים בהם ניתן להסביר באמצעות המשוואות שנתגלו על ידי ניוטון וקפלר.
מהן השאלות
גילוי על ידי אסטרונומים, אם יצליחאושר באופן סופי באמצעות תצפיות עתידיות, מאתגר את התיאוריה הקיימת לגבי היווצרות גלקסיות. בפרט, אנחנו מדברים על ההנחה שה-NGC 1052 הגדול יותר יכול "לגנוב" חומר אפל מ-DF2 ו-DF4. אם זה באמת אפשרי, בתנאי שהסדר הנצפה בשתי הגלקסיות הנצפות יישמר, אזי האסטרונומים יצטרכו לשקול מחדש לחלוטין את מנגנון היווצרותן וקיומן.
"אנחנו מקווים לגלות כמה נפוץגלקסיות אלה ואם הן קיימות באזורים אחרים של היקום. אנחנו רוצים למצוא עדויות נוספות שיסייעו לנו להבין כיצד המאפיינים שלהם עקביים או לא עולים בקנה אחד עם התיאוריות הנוכחיות שלנו. אנו מקווים כי זה יאפשר לנו לעשות צעד נוסף בהבנת אחד המסתורין הגדולים ביותר ביקום שלנו - טבעו של חומר אפל ", אמר Dokkum בשיחה עם אסטרונומיה.