משתמש:עמך ישראל/הילת חומר אפל

סימולציה של בעיית N גופים המראה הילת חומר אפל

עקומות סיבוב של גלקסיות.
העקומה A היא העקומה התאורטית שחוזים חוקי ניוטון. העקומה B היא העקומה שנמדדת בפועל

הילה של חומר אפל היא מבנה קוסמולוגי המורכב מחומר אפל קשור כבידתית (כלומר שכל החלקיקים השייכים למבנה מוחזקים על ידי אנרגיית הקשר הכבידתית שלו). לרוב מתייחסים להילות חומר אפל בהקשר של גלקסיות, היות ולא ניתן לראות חומר אפל ישירות, אך מרבית התיאוריות של חומר אפל גורסות כי ישנן הילות חומר אפל שאינן מכילות גלקסיות (ושמכונות "הילות אפלות"). הילות שמכילות גלקסיות נמשכות הרבה מעבר לגבול הנראה של הגלקסיה (לרוב יש הבדל של כסדר גודל בין רדיוס הגלקסיה לרדיוס ההילה, אך יחס הגדלים המדוייק תלוי בהסטוריה של הגלקסיה וההילה הספציפיות אליהן מתייחסים). יש לציין כי ההילה נמשכת ממרכז הגלקסיה, כלומר שהחומר האפל נמצא גם בתוך הגלקסיה, ובכך משפיעה ההילה על הדינמיקה בגלקסיה, כמו למשל מהירות הסיבוב שלה.

כיום ישנן ביקום הילות חומר אפל במגוון גדלים ומסות. ההילות הגדולות ביותר שידועות או צפויות הן במסה של יותר מ10¹⁵ מסות שמש וברדיוס של יותר ממגהפארסק (כשלושה מליון שנות אור). הגודל של ההילות הקטנות ביותר לא ידוע, והוא תלוי בתכונות הספציפיות אותן מניחים עבור החומר האפל.

הווצרות הילות

לפי ההבנה המדעית הנוכחית, המתבססת על תיאוריית המפץ הגדול, היקום החל במצב דחוס מאוד, והחומר ביקום היה מפולג בצורה הומוגנית עם אזורים מעט יותר צפופים או דלילים. במצב זה המהלך החופשי של פוטונים היה מזערי, והם השאירו את החומר הקורן (זהו החומר הרגיל המוכר לנו) מפורק לחלקיקים הבסיסיים ביותר ומנעו מגרעיני אטומים להיווצר. מכיוון שהיקום התפשט, הצפיפות הלכה וירדה, עד שכמאה אלף שנים לאחר המפץ הגדול הגיע שלב הרקומבינציה, שבו החומר היה דליל דיו כדי שיתחילו להיווצר גרעיני מימן והקרינה הכלואה תשתחרר. עד השלב הזה, החומר הקורן לא יכול היה להתחיל את הקריסה הכבידתית אל עבר האזורים הצפופים יותר. החומר האפל, לעומת זאת, מגיב רק בצורה כבידתית (או לכל היותר מגיב בצורה חלשה ביותר לכוחות אחרים), ועל כן החל לקרוס הרבה לפני החומר הקורן, כך שבזמן הרקומבינציה כבר היו מבני (הילות) חומר אפל משמעותיים, שריכזו אליהם את הקריסה הכבידתית של החומר הקורן. כיוון שכך, גלקסיות נוצרות בתוך באר הכבידה של הילות.

באזורים בהם יש שיאי צפיפות מתרחשת קריסה כבידתית, ושם נוצרות הילות. הילות גדלות בשני תהליכים עיקריים - ספיחה חלקה של חומר, בה חומר נופל אל ההילה בצורה חלקה יחסית, ומיזוג הילות, בו אל ההילה נופלת ומתמזגת הילה אחרת. מיזוג הילות הוא תהליך יחסית אלים, ויכול לגרום להילה לשנות את צורתה ומאפיינים נוספים. מיזוג הילות הוא תהליך ארוך, יחסית, ולכן במקרים הילות מכילות תת הילות - הילות חומר אפל שנפלו אל ההילה, אך עדיין לא התמזגו איתה לחלוטין. גלקסיות לוויין נמצאות בתוך תת הילות, אך במהלך המיזוג הן עוברות תהליכים שמשפיעים עליהן ולכן נוטים להתייחס אליהן כאל אוכלוסיה שונה מגלקסיות מרכזיות ומגלקסיות מבודדות (כלומר גלקסיות שבודדות בהילה שלהן).

עקומות סיבוב של גלקסיות ספירליות

נוכחות החומר האפל בהילת הגלקסיה מוסקת עקב אפקט כבידתי על עקומת הסיבוב של גלקסיה ספירלית המתארת את מהירות הסיבוב של עצמים כתלות במרחק ממרכז הגלקסיה. עקומת הסיבוב לפי הכבידה הניוטונית יורדת כתלות במרחק (ראו עקומה A בגרף) בעוד שעקומת הסיבוב שנמדדה בתצפיות (בפרט בתצפיות רדיו של פליטת קרינה לפי קווים ספקטרלים של אטומי מימן, מה שידוע כ-HI) שואפת לערך קבוע פחות או יותר (ואז אומרים שעקומת הסיבוב היא שטוחה, ראו עקומה B בגרף) גם הרבה מעבר לכל חומר נראה. העדרות חומר נראה שיסביר את שטיחותה של עקומת הסיבוב מרמזת על נוכחות של חומר חומר אפל שבלתי נראה בתצפיות רגילות. אם טוענים שהחומר האפל איננו קיים זה אומר שיש לשנות את תאוריית הכבידה הנוכחית, דבר שדורש תשתית ראייתית נרחבת יותר לפני שהפיזיקאים יהיו מוכנים לוותר על תורת היחסות הכללית.

התפלגות החומר האפל בהילה כנראה מתוארת על ידי פרופיל נאווארו-פרנק-וייט, כאשר הצפיפות נתונה על ידי

$\rho (r)={\frac {constant}{(r/a)(1+r/a)^{2}}}$

עם קבוע כפלי, וכאשר הקבוע a נבחר לפי ההתפלגות הנצפית.

תאוריות בדבר טבע החומר האפל

ערך מורחב – חומר אפל

טבעו של החומר האפל בהילה הגלקטית של גלקסיות ספירליות איננו ידוע, אך יש שתי תאוריות פופולריות לגביו:

1. ההילה מורכבת מחלקיקים כבדים בעלי אינטראקציה חלשה (WIMP, ראשי תיבות של Weakly Interacting Massive Particles).
2. ההילה מורכבת מגופים קומפטיים כבדים ואפלים, הידועים כ-MACHO, ראשי תיבות של MAssive Compact Halo Objects.

האפשרות שההילות מורכבות מכמות גדולה של גז ואבק היא לא סבירה, שכן היה אפשר לגלות אותם בניסוי. כמו כן, ניסויים בעידוש כבידתי שבחנו את תאוריית ה-MACHO, הראו שאין מספיק עצמים כאלה כדי להסביר את בעיית המסה החסרה.

הילת החומר האפל של גלקסיית שביל החלב

הילת החומר האפל היא החלק הגדול ביותר של גלקסיית שביל החלב, שכן היא משתרעת ממרחק 100,000 שנות אור עד מרחק 300,000 שנות אור ממרכז הגלקסיה. ההילה היא גם החלק המסתורי ביותר של שביל החלב. אסטרונומים מאמינים ש-95% ממסת שביל החלב מורכבת מחומר אפל, סוג של חומר שלא מבצע אינטראקציה לא-כבידתית (ובפרט לא אלקטרומגנטית) עם שאר הגלקסיה. בהילת החומר האפל נמצא כמעט כל החומר האפל של הגלקסיה, שמסתו גדולה פי 10 מהמסה הרגילה (הכוללת כוכבים, גז ואבק) בשאר הגלקסיה. החומר הקורן מהווה כ-90 מיליארד מסות שמש בעוד שהילת החומר האפל כוללת 600 עד 3000 מיליארד מסות שמש.

ראו גם

• בעיית המסה החסרה
• דינמיקה ניוטונית מתוקנת

לקריאה נוספת

1. Carroll, Bradley and Ostlie, Dale. An Introduction to Modern Physics, Second Edition. San Francisco: Pearson, 2007.
2. Diemand, J. & Moore, B. & Stadel, J. (2005, January 27). Earth-mass dark-matter haloes as the first structures in the early universe. In Nature, 433, 389 – 391.

קישורים חיצוניים

• Rare Blob Unveiled: Evidence For Hydrogen Gas Falling Onto A Dark Matter Clump? European Southern Observatory (ScienceDaily) July 3, 2006

הערות שוליים

1. ^a The radial velocity dispersion profile of the Galactic halo: Constraining the density profile of the dark halo of the Milky Way, Battagli et al. 2005, MNRAS, 364 (2005) 433