במהלך המאה ה-20 התברר לפיזיקאים פרט מפתיע: יש חוסר התאמה משמעותי בין ההתנהגות של החומר בגלקסיות רחוקות בחלל לבין חוקי הכבידה הידועים לנו. התצפיות העלו שכדי להסביר את תנועת הגלקסיות, כמות החומר ביקום חייבת להיות גבוהה בהרבה ממה שידוע לנו כיום. במשך השנים הוצעו פתרונות אפשריים רבים לאי-ההתאמה הזאת, וכיום הדעה המקובלת בקהילת הפיזיקאים היא שכ-85 מהמסה של היקום היא חומר שאנו לא רואים, אבל אנחנו מניחים שהוא שם ושיש לו השפעות מרחיקות לכת על מבנה היקום.
מפני שהוא בלתי נראה עבורנו, אנו קוראים לו “חומר אפל”. למעשה, חוקרים מעריכים כי החומר הרגיל והחומר האפל מהווים רק כ-30 אחוזים מסך המסה ביקום, והם מושכים זה את זה באמצעות כוח הכבידה וכך גורמים להיווצרות של מבנים ביקום כגון גלקסיות וצבירי גלקסיות. 70 האחוזים הנותרים שייכים לאנרגיה אפלה, שגורמת להתפשטות המואצת של היקום.
(יוצר: אסף קוזין, עורך וידאו: בן חיים, צילום: ירון שרון, גרפיקה: שי שבתאי)
את הרמז הישיר הראשון לאי-התאימות בין המסה הנראית לזו שאמורה להיות לפי התוצאות הפיזיקליות גילה הפיזיקאי השוויצרי פריץ צוויקי (Zwicky) בשנות השלושים של המאה הקודמת. צוויקי צפה אז בצביר הגלקסיות Coma ומדד את כמות האור הנפלטת ממנו ואת מהירות התנועה של גלקסיות שנמצאו בקצה הצביר. שני הגדלים הללו קשורים ביחס תיאורטי די פשוט, אך המדידות לא התאימו כלל לתיאוריה. למעשה, צוויקי הסיק כי כדי להסביר את המדידות, המסה בצביר הגלקסיות הזה צריכה להיות גדולה פי 400 מזאת שנצפתה בפועל. על כן מרבית החומר בצביר הוא חומר אפל, כלומר לא פולט קרינה.
מאז ועד היום קבוצות מחקר רבות אחרות גילו פערים דומים בין התחזיות הנובעות מחוקי הכבידה המוכרים לבין תצפיות אסטרונומיות: בפרט היו אלה מחקריהם של הוראס באבקוק (Babcock) משנת 1939 ושל ורה רובין מ-1970, שמדדו את מהירות ההקפה של מרכז הגלקסיה של כוכבים בשוליהן של גלקסיות.
הציפייה הטבעית היא שככל שנתרחק ממרכז הגלקסיה, שם מרוכז רוב החומר הגלקטי הבוהק – כגון כוכבים מפיצי אור – ועל כן רוב המסה, הכוח הכבידתי שם יהיה קטן יותר ולכן גם מהירות הסיבוב תקטן. הבעיה היא שזה לא מה שקורה בפועל: המדידות מראות שמהירות הסיבוב נשארת קבועה גם במרחק גדול מאוד ממרכזי הגלקסיות. בהנחה שחוקי הכבידה המוכרים לנו מאז ימיו של אייזק ניוטון הם נכונים, ההתנהגות הזאת מעידה שיש הרבה מאוד מסה שמפוזרת הרחק מהמרכז ושאינה פולטת אור כלל. רובין הסיקה במחקרה כי יותר מ-מחצית מהמסה שבגלקסיות חייבת להימצא בשוליים החשוכים שלהן.
בחלוף השנים שיטות המדידה התקדמו ואיתן התרבו הרמזים שמעידים לכאורה על קיומו של חומר אפל. לדוגמה, באמצעות טלסקופים טובים מספיק ושיטות מדידה מתקדמות אנו יכולים למדוד כיום איך אור משנה את מסלולו כשהוא עובר ליד מסה גדולה וצפופה מאוד. התופעה הזאת, שנקראת עידוש כבידתי, נחזתה לראשונה בתורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. כשצופים בטלסקופ בגלקסיות רחוקות מאוד, רואים שהתמונה שמקבלים מעוותת בגלל העידוש הכבידתי שגורמת המסה הבין כוכבית שנמצאת בינינו לבינן. על סמך מדידות כאלה אפשר להעריך את כמות המסה ולשער איך היא מפוזרת. כך נמצא שיש כמויות גדולות של מסה שאנו יכולים לזהות רק דרך העידוש הכבידתי שהן מחוללות.
3 צפייה בגלריה
מהירות הסיבוב העצמי של גלקסיית M33 כפי שנמדדה בתצפיות אסטרונומיות (הקו הרציף, עם נקודות צהובות וכחולות), לעומת מהירות הסיבוב המחושבת לפי כמות החומר הנראה בגלקסיה (הקו המקווקו)
(תרשים: Mario De Leo, Wikipedia)
חיזוק נוסף מגיע מניתוח התבגרותו של היקום. המודלים של היקום כפי שאנחנו מבינים אותו לא מאפשרים להסביר את קיומם של גלקסיות וצבירי גלקסיות באמצעות תורת הכבידה המקובלת, ללא חומר אפל. חומר רגיל מושפע מקרינה אלקטרומגנטית, וביקום המוקדם והחם הייתה הרבה מאוד קרינה. בעקבות זאת לא יכלו להיווצר ריכוזים של מסה של חומר רגיל שיהפכו עם הזמן לגלקסיות. אך אם יש ביקום חומר שאינו מקיים יחסי גומלין כלשהם עם קרינה אלקטרומגנטית, הוא יוכל ליצור ריכוזים של מסה אפלה שימשכו אליהם חומר רגיל וממנו ייווצרו בהמשך הגלקסיות.
תופעה דומה נצפתה בקרינת הרקע הקוסמית, שהיא שריד של הקרינה האלקטרומגנטית מהיקום המוקדם. הקרינה הזאת אחידה בכל הכיוונים, פרט לפערים קטנים מאוד, של כאלפית האחוז, בעוצמתה. ההסבר המספק היחיד לפערים האלה הוא קיומו של חומר שאינו מושפע מקרינה אלקטרומגנטית.
תעלומה אפלה
סיכום ביניים: מאז ראשית המאה ה-20 הצטברו עוד ועוד ממצאים שמלמדים כי יש ביקום כמות אדירה של חומר ביקום שאינו פולט קרינה אלקטרומגנטית וגם לא מושפע ממנה. לפי ההערכות העדכניות ביותר, החומר האפל הזה הוא אחוז ניכר מכלל החומר ביקום. מה יכול להיות החומר המשונה הזה, שאיננו מצליחים לראות אותו אך אנו חשים היטב את השפעות הכבידה שלו על היקום שלנו? ממה הוא מורכב?
במשך השנים עלו השערות תיאורטיות רבות ומגוונות על זהותם של חלקיקים שעשויים להיות חומר אפל. כל חלקיק כזה חייב לענות על שתי דרישות עיקריות: ראשית, אסור לו לפלוט אור או לקיים קשר כלשהו עם קרינה אלקטרומגנטית. ושנית, צריכה להיות לו מסה – אחרת לא נראה את השפעת החומר האפל על הכבידה ברחבי היקום.
ראשית יש לשקול את האפשרות שחומר אפל הוא פשוט חומר רגיל (חומר בריוני בלשון הפיזיקה), אך מרוכז מאוד ואינו פולט קרינה. לכאורה ייתכן שמדובר בחורים שחורים, שבולעים את כל האור שמגיע אליהם, או גמדים חומים – כוכבים שמאירים באור חלש מאוד. גופים כאלה נקראים MACHO: ראשי תיבות של “גופים מסיביים וקומפקטיים בעלי הילה” (Massive Compact Halo Object).
גופים כאלה הם פתרון מושך לבעיית החומר האפל, מכיוון שהם מורכבים מחומר רגיל שאנחנו מכירים, אך בצורה שונה מזאת שאנו נתקלים בה בדרך כלל. למשל אפשר לדמיין שברחבי היקום פזורים חורים שחורים קטנים. ההשפעה הכבידתית שלהם תהיה גדולה די הצורך כדי להסביר את התצפיות אך לא נוכל לצפות בהם ישירות. לרוע המזל, ניתוח מדוקדק של התצפיות חושף שההסבר הזה אינו סביר במיוחד. לפי מיטב הבנתנו, כשהיקום נוצר במפץ הגדול, כמות החומר הרגיל בו לא הייתה גדולה דיה ליצירת מספיק גופים מסיביים וקומפקטיים כאלה. כך שככל הנראה החומר האפל צריך להיות חומר שונה מזה שאנחנו מכירים.
בורסת החלקיקים
חומר שונה, פירושו חלקיק שאינו נמצא כיום במודל הסטנדרטי של החלקיקים ושניחן בתכונות הדרושות. במשך השנים הוצעו עשרות מועמדים אפשריים לתפקיד החלקיק הזה.
אחד המועמדים העיקריים הוא חומר שקרוי חלקיק מסיבי בעל אינטראקציה חלשה (Weakly Interacting Massive Particle), או WIMP בקיצור. החלקיק הזה מבצע אינטראקציה באמצעות כוח הכבידה והכוח הגרעיני החלש, וחישובים תיאורטיים מעלים שכדי להסביר את התצפיות המסה שלו צריכה להיות גדולה פי כמה עשרות או מאות ממסת הפרוטון – אחד החלקיקים המרכזיים בגרעין האטום.
ב-50 השנים האחרונות נעשו מאמצים רבים לזהות חלקיקי WIMP באמצעות גלאים רגישים, אך מדובר במשימה קשה ומורכבת מכיוון שהאינטראקציה שלו מוגבלת לכבידה ולכוח החלש – שני כוחות שעוצמתם מעטה. רוב הגלאים שבהם השתמשו דומים לגלאי נייטרינו, שמכילים כמות גדולה של חומר סטטי כמו גז אציל. כשחלקיק פוגע בגלאי, נפלט הבזק של אור, וניתוח שלו אמור לאפשר לנו להעריך את מסת החלקיק. עד כה לא נצפתה בשום גלאי פגיעה של חלקיק שמתאים למאפייניו של WIMP.
בשל כך, הממצאים שנאספו במשך השנים מגלאים מגבילים את טווח תכונותיו האפשריות של החומר האפל המשוער. הרי אם בנינו חיישן שרגיש לחלקיקים בעלי מסה מסוימת וחוזק אינטראקציה מסוים, וכעבור שנה לא נקלט בו שום חלקיק כזה, אפשר להעריך בסבירות גבוהה למדי שאין בטבע חלקיקים כאלה. הממצא הרגיש ביותר עד כה פורסם באוגוסט האחרון ומאפשר לפסול את קיומו של חלקיק WIMP שהמסה שלו גדולה פי עשרה או יותר ממסת הפרוטון.
חלקיק אפשרי אחר שצבר תשומת לב בשנים האחרון הוא האקסיון (Axion). מדובר בחלקיק תיאורטי שהציעו במקור הפיזיקאים חתני פרס נובל סטיבן ויינברג (Weinberg) ופרנק וילצ’ק (Wilczek) כפתרון לבעיה אחרת הקשורה לכוח הגרעיני החזק, בסביבות שנת 1977. כעבור שנים לא מעטות התברר שאם המסה של האקסיון תעמוד על פחות מעשירית ממסת האלקטרון, תכונותיו יתאימו לאלה שאמורות להיות לחומר האפל.
אחד היתרונות של האקסיונים הוא שלפי המודל הם צפויים לקיים אינטראקציה חלשה מאוד עם שדות מגנטיים. מדובר באינטראקציה חלשה דיה כדי שלא נוכל לגלות אותה בתנאים רגילים, כצפוי מחומר אפל, אך מספיק חזקה כדי שנוכל לגלות אותה בתנאים מיוחדים. כמה וכמה ניסויים נעשים בעולם בניסיון לגלות אקסיונים, אך עד כה כולם העלו חרס. כל מה שהצליחו לעשות היה להגביל את מסת האקסיון האפשרית לגודל קטן מאוד, שאינו עולה על מיליונית ממסת האלקטרון.
חוק ההתיישנות
יש חלקיקים תיאורטיים נוספים שעשויים להתאים לחומר האפל, אך עד כה לא נצברו ראיות מספיקות לקיומו של אף אחד מהם. העיסוק ברובם מצומצם מאוד, בהיעדר בסיס תיאורטי מבוסס מספיק עבורם.
פתרון אחר לבעיית החומר האפל ניגש לבעיה מכיוון אחר לגמרי. הוא מניח שאין באמת חומר אפל ושנוכל להסיר אותו מעל הפרק אם נעשה תיקונים נדרשים בתיאוריות הפיזיקליות המקובלות. התיאוריה הבולטת ביותר מהסוג הזה היא הדינמיקה הניוטונית המתוקנת (MOND), שפיתח במקור האסטרופיזיקאי מרדכי מילגרום ממכון ויצמן למדע, ואחרים הרחיבו אותה לכיוונים נוספים. התיאוריה הזאת מניחה כי תיקונים לחוקי ניוטון ולתורת היחסות הכללית יאפשרו לחזות את התצפיות החריגות שהעידו לכאורה על קיומו של חומר אפל, וכך להפריך את קיומו.
למרות ההשקעה הניכרת בכיוון המחקר הזה, וההצלחה של חלק מהתיאוריות הללו להסביר חלק מהתצפיות, נראה שעד כה לא נמצאה המשוואה שמסבירה את חוקי הטבע כפי שאנו מכירים אותם. הדעה המקובלת בקרב הפיזיקאים כיום היא שהתיאוריות האלה אינן מצליחות להסביר את כל התופעות שהצביעו על קיומו של חומר אפל, כך שעדיין אנו זקוקים לו כדי להסביר את היקום. ובינתיים, טבעו האמיתי של החומר האפל נותר אחת התעלומות הגדולות ביקום.
עמית פנדו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
