מאז "תור הזהב של היחסות הכללית" בשנות השישים, מדענים סברו כי חלק גדול מהיקום מורכב ממסה בלתי נראית מסתורית המכונה "חומר אפל". מאז, מדענים ניסו לפתור את התעלומה הזו בגישה כפולה. מצד אחד, אסטרופיסיקאים ניסו למצוא חלקיק מועמד שיכול להסביר את המסה הזו.
מצד שני, אסטרופיסיקאים ניסו למצוא בסיס תיאורטי שיכול להסביר את התנהגותו של Dark Matter. עד כה, הוויכוח התרכז בשאלה האם זה "חם" או "קר", כאשר הקור נהנה מהיתרון בגלל הפשטות היחסית שלו. עם זאת, מחקר חדש שנערך בראשות המרכז הרווארד-סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה (CfA)
זה התבסס על הדמיות קוסמולוגיות של היווצרות הגלקסיה באמצעות מודל של יקום שכלל חומר כהה אינטראקטיבי. ההדמיות נערכו על ידי צוות בינלאומי של חוקרים מטעם ה- CfA, מכון קובלי לחקר אסטרופיסיקה וחלל של MIT, מכון לייבניץ לאסטרופיסיקה פוטסדאם, ואוניברסיטאות מרובות. המחקר הופיע לאחרונה ב- הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה.
כשמדובר בזה, Dark Matter נקרא כראוי. בתור התחלה, הוא מהווה כ- 84% ממסת היקום אך אף אחד מהם אינו פולט, קולט או משקף אור או כל סוג אחר של קרינה ידועה. שנית, אין לו מטען אלקטרומגנטי ואינו מתקשר עם חומר אחר אלא דרך כוח הכבידה, החלש מבין ארבעת הכוחות הבסיסיים.
שלישית, הוא אינו מורכב מאטומים או מאבני הבניין הרגילות שלהם (כלומר אלקטרונים, פרוטונים ונויטרונים), התורם לאופי המסתורי שלו. כתוצאה מכך, מדענים משערים כי זה חייב להיות מורכב מחומר מסוג חדש התואם את חוקי היקום אך אינו מופיע במחקר רגיל של פיזיקת החלקיקים.
בלי קשר לאופיו האמיתי, Dark Matter השפיע רבות על התפתחות הקוסמוס מאז כמיליארד שנה לאחר המפץ הגדול והלאה. לאמיתו של דבר, הוא האמין כי מילא תפקיד מפתח בכל דבר, החל מהיווצרות גלקסיות ועד התפלגות קרינת הקומבי מיקרופון (CMB).
יתר על כן, מודלים קוסמולוגיים המביאים בחשבון את התפקיד שמילא חומר האפל מגובים בתצפיות על שני סוגים שונים מאוד של מבנים קוסמיים. כמו כן, הם עולים בקנה אחד עם פרמטרים קוסמיים כמו הקצב בו היקום מתרחב, אשר עצמו מושפע מכוח מסתורי ובלתי נראה (המכונה "אנרגיה אפלה").
נכון לעכשיו, הדגמים המקובלים ביותר של Dark Matter מניחים שהוא אינו מקיים אינטראקציה עם סוגים אחרים של חומר או קרינה (כולל עצמה) מעבר להשפעת כוח הכבידה - כלומר שהוא "קר". זה מה שמכונה תרחיש CDM (Dark Dark Matter), שמשולב לעתים קרובות עם תיאוריית האנרגיה האפלה (המיוצגת על ידי למבדה) בצורה של המודל הקוסמולוגי LCDM.
נקראת גם צורה תיאורטית זו של Dark Matter
"[CDM] הוא הדגם המועדף ביותר והמודל. זה בעיקר בגלל שארבעת העשורים האחרונים בערך אנשים עובדים קשה כדי לחזות באמצעות חומר כהה קר כהפרדיגמה הסטנדרטית - ואז משווים אותם לנתונים אמיתיים - עם הממצא כי באופן כללי, המודל הזה מסוגל לשחזר מגוון רחב של תופעות שנצפו על פני מגוון רחב של מאזניים. "
כפי שהוא מתאר את זה, תרחיש החומר האפל הקרה הפך לסרט הקדמי לאחר שנערכו סימולציות מספריות של התפתחות קוסמית באמצעות "חומר כהה לוהט" - במקרה זה, הנייטרינו. אלה הם חלקיקים תת אטומיים הדומים מאוד ל-
ההדמיות הללו הראו שההפצות החזויות לא נראו כמו היקום כיום, "הוסיף בוס. "מסיבה זו התחיל לקחת בחשבון את הגבול ההפוך, חלקיקים שיש להם בקושי מהירות כאשר הם נולדים (המכונה גם" קר "). הדמיות שכללו מועמד זה התאימו לתצפיות מודרניות על היקום הרבה יותר מקרוב.
"לאחר שביצעו את אותם מבחני אשכול גלקסיות כמו בעבר, אסטרונומים מצאו הסכם מבהיל בין היקומים המדומים לצפייה. בעשורים שלאחר מכן, החלקיקים הקרים נבדקו באמצעות בדיקות קפדניות יותר ולא טריוויאליות מאשר פשוט באשכולות גלקסיות, והוא בדרך כלל העביר את כל אלה בצבעים מעופפים. "
מקור ערעור נוסף הוא העובדה שחומר כהה קר (לפחות תיאורטי) אמור להיות ניתן לגלות ישירות או בעקיפין. עם זאת, זה המקום בו ה- CDM נתקל בבעיה מכיוון שכל הניסיונות לאתר חלקיק בודד עד כה נכשלו. ככאלה, הקוסמולוגים לקחו בחשבון מועמדים אפשריים אחרים שיהיו להם אפילו רמות קטנות יותר של אינטראקציה עם חומר אחר.
זה מה שסוונק בוס, אסטרונום מטעם ה- CfA, ביקש לקבוע עם צוות החוקרים שלו. לצורך מחקרם, הם התמקדו במועמד "חם" לחום. חלקיקים מסוג זה יכולים להיות בעלי יכולת ליצור אינטראקציה עדינה עם חלקיקי אור מאד שנעים קרוב למהירות האור, אם כי פחות מאשר המגוון "החם" האינטראקטיבי יותר.
במיוחד זה יכול להיות מסוגל לקיים אינטראקציה עם נייטרינו, המוביל לשעבר בתרחיש HDM. נראה כי נויוטרינו היה נפוץ מאוד במהלך היקום המוקדם הלוהט, כך שנוכחותו של חומר האפל האינטראקציה הייתה משפיעה מאוד.
"בכיתה זו של דגמים מותר לחלקיק החומר האפל לקיים אינטראקציה סופית (אך חלשה) עם מין מקרין כמו פוטונים או נייטרינים," אמר ד"ר בוס. "הצימוד הזה משאיר חותם די ייחודי ב'גושנות 'של היקום בזמנים מוקדמים, וזה שונה בהרבה ממה שצפוי היה אם החומר האפל היה חלקיק קר."
כדי לבדוק זאת הצוות הציג הדמיות קוסמולוגיות עדכניות במתקני מחשב העל בהרווארד ובאוניברסיטת איסלנד. סימולציות אלה שקלו כיצד תושפע היווצרות הגלקסיה מנוכחותם של חומר חם וכהה כאחד כמיליארד אחרי המפץ הגדול ל 14 מיליארד שנים (בערך ההווה). אמר ד"ר בוס:
"[W] e ניהלו הדמיות ממוחשבות כדי ליצור מימושים של איך יכול להראות היקום הזה אחרי 14 מיליארד שנות התפתחות. בנוסף למודלים של רכיב החומר האפל, כללנו גם מרשמים עדכניים ליצירת כוכבים, השפעות סופרנובות וחורים שחורים, היווצרות מתכות וכו.”
הצוות השווה את התוצאות זו לזו כדי לזהות חתימות אופייניות אשר יבדילו זו מזו. מה שהם מצאו היה שעבור רבים מהדמיות ההשפעות של חומר האפל האינטראקטיבי הזה היו קטנות מכדי שניתן יהיה להבחין בהן. עם זאת, הם היו נוכחים בכמה דרכים ברורות, במיוחד באופן בו גלקסיות מרוחקות מופצות ברחבי החלל.
תצפית זו מעניינת במיוחד מכיוון שניתן לבחון אותה בעתיד באמצעות מכשירים מהדור הבא. "הדרך לעשות זאת היא למפות את הגושמיות ביקום בזמנים מוקדמים אלה על ידי התבוננות בהתפלגות גז מימן," הסביר ד"ר בוס. "מבחינה תצפיתית זו טכניקה מבוססת: אנו יכולים לחקור מימן ניטרלי ביקום הקדום על ידי התבוננות בספקטרום הגלקסיות הרחוקות (בדרך כלל קוואזרים)."
בקיצור, אור שנוסע אלינו מגלקסיות רחוקות צריך לעבור דרך המדיום הבין-גלקטי. אם יש הרבה מימן ניטרלי במדיום שמתערב, קווי הפליטה מהגלקסיה ייספגו חלקית, ואילו הם לא ישמרו אם יהיה מעט. אם החומר האפל באמת קר, הוא יופיע בצורה של חלוקה "גושית" הרבה יותר של גז מימן, ואילו תרחיש WDM יביא לתנודות גושים.
נכון לעכשיו, למכשירים אסטרונומיים אין הרזולוציה הנחוצה למדידת תנודות גז מימן ביקום המוקדם. אך כפי שציין ד"ר בוס, מחקר זה יכול לספק תנופה לניסויים חדשים ומתקנים חדשים שיוכלו לבצע את התצפיות הללו.
למשל מכשיר IR כמו ה- טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) ניתן להשתמש כדי ליצור מפות חדשות להתפלגות ספיגת גז מימן. מפות אלה יוכלו לאשר את ההשפעה של חומר האפל האינטראקטיבי או לשלול זאת כמועמד. יש לקוות שמחקר זה יעודד אנשים לחשוב על מועמדים מעבר לאלה שכבר נחשבו.
בסופו של דבר, אמר ד"ר בוס, הערך האמיתי נובע מהעובדה שסוגי חיזויים תיאורטיים מסוג זה יכולים לדרבן תצפיות לגבולות חדשים ולבחון את גבולות הדברים שאנחנו חושבים שאנחנו יודעים. "וזה כל מה שמדע הוא באמת," הוא הוסיף, "לעשות חיזוי, להציע שיטה לבדיקתו, לבצע את הניסוי ואז להגביל / לשלול את התיאוריה!"
