חומר אפל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Gnome-colors-edit-find-replace.svg יש לשכתב ערך זה. הסיבה לכך היא: הערך מיושן וחסר.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.
הרכב היקום 380,000 שנה לאחר היווצרותו וכיום

באסטרופיזיקה, חומר אפל (או מסה אפלה) הוא חומר היפותטי, שעצם קיומו שנוי במחלוקת, בין השאר משום שעד היום הוא לא נצפה באופן ישיר. התאוריה הטוענת לקיומו, מסיקה זאת מתופעות כבידתיות מסוימות. עם זאת, ישנן גם תאוריות אחרות, כמו דינמיקה ניוטונית מתוקנת, המסבירות את אותן תופעות כבידתיות, גם בלא "להזדקק" לחומר אפל.

החומר האפל קרוי כך, משום שבניגוד לחומר שבו יכולים לצפות, דהיינו כוכבים, ענני גז וחומר בין-כוכבי, החומר האפל, אם אמנם הוא אכן קיים, לא פועל על קרינה אלקטרומגנטית: הוא לא פולט, לא בולע ולא משקף אותה, ולכן לא ניתן לצפות בו באופן ישיר.

על-פי התאוריה המקובלת, החומר האפל מרכיב יחד עם האנרגיה האפלה כ-96% מן המסה של היקום. הוכחת קיומו ופענוח טבעו של החומר האפל הוא אחת הבעיות הפתוחות החשובות ביותר באסטרופיזיקה.

הצורך בחומר אפל[עריכת קוד מקור | עריכה]

יש שתי בעיות יסודיות בקוסמולוגיה, שהדרך המקובלת כיום להסביר אותן, היא ההנחה על קיומו של חומר אפל.

בעיית המסה החסרה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – בעיית המסה החסרה

קיומו של החומר האפל, גם אם אין לו הוכחה ישירה, הוא הפתרון המקובל לבעיית המסה החסרה. כאשר מסכמים את מסתם של כל הגופים המאירים בגלקסיה, כוכבים, ענני גז וחומר בין כוכבי, המסה המתקבלת קטנה מדי. מניתוח מהירותם של הכוכבים הנעים בשולי הגלקסיה נראה שמסתה של גלקסיה ממוצעת גדולה מן המסה הנראית שלה פי עשרה או יותר.

על-פי הסבר החומר האפל, שרויה כל גלקסיה במרכזה של 'הילה' של חומר שאינו מאיר, המשתרעת הרחק מעבר לאזור הנראה של הגלקסיה. מסה נוספת זו יכולה להסביר את תנועתם של הכוכבים בגלקסיות וגם את תנועתן של גלקסיות בתוך צבירים.

התאוריה המחייבת את קיומו של החומר האפל מבוססת על תצפיות בגלקסיות ספירליות, שבהן הכוכבים נעים במעגלים סביב מרכז המסה. כאשר נערכו תצפיות דומות בגלקסיות אליפטיות, היה נראה שהחומר האפל אינו נחוץ שם, וניתן להסביר את התנועה בתוך הגלקסיה בהסתמך על החומר הנראה בלבד. אין זה סביר שכמות החומר האפל תלויה במידה רבה בסוג הגלקסיה, ולכן התבקש הסבר אחר להבדל בין הטיפוסים השונים. הסבר כזה פורסם לאחרונה (2005) ב-Nature על ידי פרופ' אבישי דקל מן האוניברסיטה העברית: בגלקסיות אליפטיות קיימת תנועה מן המרכז והחוצה, שאינה מתגלה בקלות על ידי אפקט דופלר (המשמש להערכת המהירות והכיוון של גופים רחוקים). על-פי גישה זו, מהירותם של הכוכבים בגלקסיות אליפטיות גבוהה מזו שנדמית לנו, ולכן גם בהן מתחייב קיומו של חומר אפל.

היווצרות המבנים[עריכת קוד מקור | עריכה]

על-פי תאוריית המפץ הגדול, ראשיתו של היקום היא בהתפשטות של נקודה לוהטת, שהחלה לפני כ-13.8 מיליארד שנים. אם כך, היקום היה בעל מבנה אחיד, ותבניות החומר הנראה, כוכבים, גלקסיות, צבירים ועל-צבירים, נוצרו במשך הזמן, בהשפעתו של כוח הכבידה. אלא שכאשר מחשבים כמה זמן נדרש כדי שהיקום יגיע לריכוז הנוכחי של תבניות החומר, נראה ש-13.8 מילארדי שנה אינם מספיקים.

קיומו של חומר אפל מסייע רבות בפתרון בעיה זו. החומר האפל משתתף באינטראקציות כבידתיות, אבל אינו מושפע מאינטראקציות גרעיניות אחרות, ובפרט אינו קורן. בהיעדר השפעתם המעכבת של הכוחות האחרים, חומר אפל ממהר להתרכז במבנים דחוסים, מהר יותר מן החומר הנראה. ביקום שרובו חומר אפל, המבנים הנראים אכן יכולים להיווצר בקצב המתחייב מגילו הצעיר של היקום.

תצפיות עדכניות[עריכת קוד מקור | עריכה]

כדי לפענח את מסתוריות החומר האפל, השתמשה קבוצת חוקרים בטלסקופ החלל האבל, לצורך בניית "מפת מסה" המגדירה במדויק את חלוקת המסה בצביר הגלקסיות CL0024+1654. לצורך הכנת המפה, נעזרו החוקרים ב-120 שעות צילום של טלסקופ האבל. זהו משך התצפית הארוך ביותר שהושקע עד היום לצילום צביר גלקסיות. למרות מרחקו של הצביר מכדור הארץ (למעלה מ-4.5 מיליארד שנות אור), גודלו העצום אפשר לחוקרים לחקור אותו לעומקו ולבסוף – למפותו בצורה מדויקת מאוד.

כעת, עם השלמת המפה, בפעם הראשונה יכולים החוקרים לצפות בפיזורו של החומר האפל בצביר, וללמוד את השפעתו על החומר הנראה. החוקרים מקווים, כי פענוח המפה והמסקנות שיילמדו מניתוחה, יסייעו למדע להבין את טיבו של החומר האפל ואת תפקידו בצבירי גלקסיות ובהיווצרות היקום וגרמי השמיים.

טבעו של החומר האפל[עריכת קוד מקור | עריכה]

היחס בין אנרגיה אפלה, חומר אפל, חומר הניתן לגילוי וחומר קורן ביקום

בעבר הועלתה ההשערה כי החומר האפל מורכב מ"עצמי הילה מסיביים קטנים" (באנגלית Massive Compact Halo Objects, או MACHOs). גודלם של עצמים אלה הוא בין זה של כוכב הלכת צדק לבין מסת שמש אחת, והם מצויים כמשוער בהילה האפלה של כל גלקסיה. לא ניתן לצפות בהם באמצעים רגילים, משום שהם קטנים ביותר ואינם קורנים. אולם עצמים מסיביים צפויים לעוות את אורם של כוכבים העובר בסמוך אליהם, בתופעה הקרויה עידוש כבידתי, בעוד עיוות כזה לא אותר, למרות תצפיות ממושכות. על כן עצמים כאלו, אם הם קיימים, אינם מהווים חלק משמעותי מן החומר האפל.

לפי התאוריה הנוכחית, החומר האפל מורכב ברובו מחלקיקים אלמנטריים, כגון אקסיונים, Strongly Interacting Massive Particles או Weakly Interacting Massive Particles, שאינם שייכים למודל הסטנדרטי של הפיזיקה החלקיקית, ולא נצפו מעולם. חלקיקים מן הקבוצה האחרונה, WIMPs, משתתפים באינטראקציות חלשות ואינטרקציה כבידתיות בלבד, והם מופיעים, למשל, בתאוריות של סופר סימטריה.

להלן יחס מרכיבי היקום על פי מדידות והערכות שנעשו בשנים 20032005.

סוג תיאור אחוז מהיקום
חומר קורן כוכבים ועצמים בהירים 0.4
חומר שאינו קורן חומרים כגון גז בין-כוכבי וכוכבי לכת, נקראים גם Dim Matter ("חומר עמום") 3.6
חומר אפל חומר שלא מבצע אינטראקציות אלקטרומגנטיות אלא רק כבידתיות 22
אנרגיה אפלה אנרגיה דוחה הגורמת להאצת התפשטות היקום והיא גדלה ככל שנפח היקום גדל. מהותה עדיין אינה ברורה 74

בדיקת קיומו של חומר אפל[עריכת קוד מקור | עריכה]

אחת התאוריות בנוגע למהותו של החומר האפל טוענת שסביב כל גלקסיה מרחפים גופים דחוסים וקומפקטים המכילים מסה רבה, אך חיוורים מאוד ולא מבצעים כמעט אינטראקציה הפולטת קרינה. גופים אלה נקראים MACHO, ראשי תיבות של Massive Compact Halo's Objects (כלומר: גופים מסיביים וקומפקטים של הילת הגלקסיה).

באמצעות עידוש כבידתי אפשר לבדוק את התאוריה הזו. אסטרופיזיקאי פולני בשם פצינסקי (Paczynzki) הציע ב-1986 ניסוי לבדיקת תאוריית ה-MACHO המתבסס על תצפיות של עידוש כבידתי בכוכבים של הענן המגלני הגדול.

מהערכה של מסת החומר האפל סביב הגלקסיה שלנו וההערכה למסה של כל MACHO (מהערכה זו אפשר לחשב את צפיפות ה-MACHO-ים סביב הגלקסיה). כל MACHO כזה יכול לבצע עידוש כבידתי כאשר הוא חולף ביננו לבין כוכב אחר. בעידוש זה ניתן להבחין בתצפית, על ידי זיהוי הגברה פתאומית בבהירות כוכב כלשהו ואז דעיכה מהירה וסימטרית (נוצרת מעין עקומת פעמון של הבהירות כתלות בזמן, שמייצגת גוף מסיבי עדש שחלף ביננו לבין העצם, ברגע השיא - העדשה נמצאת על קו הראייה ביננו לעצם).

אולם הענן המגלני הגדול, גלקסיה קטנה הנמצאת יחסית קרוב אלינו (מרחק של 50 קילו-פרסק. במרחק זה ניתן להפריד אופטית את הכוכבים בענן). לפי התאוריה לגבי קיומם ופיזורם של MACHO אפשר להעריך את כמות העידושים שיתבצעו בפרק זמן נתון. החישוב מראה שהתוצאה של מספר האירועים לא תלויה במסה של כל MACHO אלא רק במסה הכוללת, ומקבלים ש

\ \mbox{Number of Lensing Amplification} \ \equiv N \approx \frac{G M_{dm} }{r_{MW \to LMC} c^2 }

כאשר \ r_{MW \to LMC} = 50 \mbox{kPc} הוא המרחק בין שביל החלב לבין הענן המגלני הגדול, ואילו Mdm היא מסת החומר האפל שנמצאת בהילה של MACHO-ים סביב הגלקסיה. לפי מדידות עקומות סיבוב של הגלקסיה והערכות קינמטיות, החומר האפל שסביב הגלקסיה מכיל מסה מסדר גודל של 1012 מסות שמש. בהצבת כל הנתונים וההערכות מקבלים שבכל רגע נתון אחד מתוך מיליון כוכבים בענן המגלני הגדול עובר עידוש כבידתי בגלל MACHO.

בהתבסס על נתונים אלה אפשר להעריך מהי תדירות העידושים שנראה, וכמה זמן ימשך עידוש ממוצע, בהתאם להרכבם של ה-MACHO-ים (גודלם ומסתם בהשוואה לשמש ולכוכב צדק). צפייה בענן המגלני במשך תקופה ארוכה (לפחות 5 שנים) וספירה של כמות העידושים שרואים, תוך השוואת התוצאה לתחזיות התאורטיות השונות היא שהפריכה את ההשערה. ניסוי כזה התבצע ב-1991 וכמות אירועי העידוש שנמדדה בו הייתה נמוכה בהרבה מהכמויות אותן חוזות התאוריות התומכות ב-MACHO-ים. לפי התוצאות, העריכו האסטרופיזקאים שמספר הגופים דמויי ה-MACHO בהילת הגלקסיה מהווים לכל היותר 20% מהמסה האפילה שאותם מחפשים האסטרונומים. כלומר, ניסוי זה שלל את תאוריית ה-MACHO כפתרון מלא לבעיית החומר האפל.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • צבי פלטיאל, "החומר האפל", פי האטום ד-3, אוגוסט 1989.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא חומר אפל בוויקישיתוף