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 היפותטי של חומר אפל קשור כבידתית (כלומר שכל החלקיקים השייכים למבנה מוחזקים על ידי אנרגיית הקשר הכבידתית שלו). חומר אפל מהווה הסבר אפשרי לדינמיקה של גלקסיות, אך מרבית התאוריות של חומר אפל גורסות כי ישנן ביקום גם הילות חומר אפל שאינן חלק ממבנים גלקטיים (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 המדויק תלוי בהיסטוריה של הגלקסיה וההילה הספציפיות אליהן מתייחסים). מניחים כי הילת חומר אפל של גלקסיה מתחילה ממרכז הגלקסיה, ומשפיעה על הדינמיקה בגלקסיה כמו למשל על מהירות הסיבוב שלה.

מניחים את קיומן של הילות חומר אפל במגוון גדלים ומסות, הגדולות שבהן הן במסה של יותר מ־ 10¹⁵ מסות שמש וברדיוס של יותר ממגהפארסק (כשלושה מיליון שנות אור). גודלן של ההילות הקטנות ביותר לא ידוע, שכן הוא תלוי בתכונות הספציפיות של החומר האפל, ואלה אינן ידועות.

היווצרות הילות

לפי ההבנה המדעית הנוכחית עליה מבוססת תאוריית 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 (החומר הרגיל המוכר לנו) מפורק לחלקיקים הבסיסיים ביותר ומנעו מגרעיני אטומים להיווצר. עם התפשטות היקום והירידה בצפיפותו, הגיע כמאה אלף שנים לאחר המפץ הגדול שלב רקומבינציה, שבו החומר היה דליל דיו לאפשר היווצרות גרעיני מימן ושחרור הקרינה הכלואה. 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, נוצרו הגלקסיות בתוך באר הכבידה של הילות.

באזורים בהם יש שיאי צפיפות מתרחשת קריסה כבידתית, ושם נוצרות הילות. משערים כי 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 צפויים מקרים של הילות המכילות תת-הילות - הילות חומר אפל שנפלו אל ההילה, אך טרם התמזגו איתה לחלוטין. גלקסיות לוויין נמצאות בתוך תת-הילות, אך במהלך המיזוג הן עוברות תהליכים שמשפיעים עליהן ולכן נוטים להתייחס אליהן כאל אוכלוסייה 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 לגבול החומר הנראה. היעדרות חומר נראה שיסביר את שטחיותה של עקומת הסיבוב מרמזת על נוכחות של חומר חומר אפל שבלתי נראה בתצפיות רגילות. אם החומר האפל לא קיים באמת, יש לשנות את תאוריית הכבידה הנוכחית, כלומר את תורת היחסות הכללית בגרסתה המקובלת. בהיעדר הסבר מניח את הדעת להתנהגות הכבידה בשונה מהצפוי על פי התאוריה העכשווית, מעדיפים רוב הפיזיקאים כיום לדבוק בהנחת קיומו של חומר אפל.

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 קומפקטיים 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 אם קיימת, היא החלק הגדול ביותר של גלקסיית שביל החלב, שכן על מנת להסביר את הדינמיקה הגלקטית היא צריכה להשתרע 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 3,000 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

מדיה וקבצים בנושא הילת חומר אפל בוויקישיתוף

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