אני אהיה הראשון להודות שאנחנו לא מבינים חומר אפל. לדוגמה, כאשר אנו מסתכלים על גלקסיה ומונים את כל החלקים הזוהרים החמים כמו כוכבים וגז ואבק, אנו מקבלים מסה מסוימת. כאשר אנו משתמשים בכל טכניקה אחרת למדידת המסה, אנו מקבלים מספר גבוה בהרבה. אז המסקנה הטבעית היא שלא כל העניין ביקום כולו חם וזוהר. אולי חלק אם זה, אתה יודע, חשוך.
אבל חכה. ראשית עלינו לבדוק את המתמטיקה שלנו. האם אנו בטוחים שלא סתם טועים בפיזיקה?
פרטים על חומר אפל
קטע מרכזי בפאזל החומר האפל (אם כי בהחלט לא היחיד, וזה יהיה חשוב בהמשך המאמר) מגיע בצורת עקומות סיבוב גלקסיות. כאשר אנו צופים בכוכבים מסתובבים בסיבוב סביב מרכז הגלקסיות שלהם, על פי כל הזכויות, אלה המרוחקים מהמרכז צריכים לנוע לאט יותר מאלו הקרובים יותר למרכז. הסיבה לכך היא שרוב המסה הגלקטית צפופה בגרעין, והכוכבים החיצוניים ביותר רחוקים מכל אותם דברים, ועל ידי כוח הכבידה הניוטוני הפשוט הם צריכים לעקוב אחר מסלולי עצל באיטיות.
אבל הם לא עושים זאת.
במקום זאת, הכוכבים החיצוניים ביותר עוברים מסלול מהיר באותה מידה כמו בני דודים בעיר שלהם.
מכיוון שמדובר במשחק כוח משיכה, ישנן רק שתי אפשרויות. או שאנחנו טועים בכוח המשיכה, או שיש דברים בלתי נראים במיוחד המשרים כל גלקסיה. וככל שיכולנו לדעת, אנו מקבלים כוח משיכה מאוד, מאוד צודק (זהו מאמר אחר), אז בום: חומר אפל. משהו שומר על הכוכבים החופשיים האלה לכודים בתוך הגלקסיות שלהם, אחרת הם היו נופלים כמו שליטה מחוץ לשליטה לפני מיליוני שנים; ergo, יש חבורה שלמה של דברים שאנחנו לא יכולים לראות ישירות, אך אנו יכולים לזהות בעקיפין.
מקבל כבד
אבל מה אם זה לא סתם משחק כוח משיכה? אחרי הכל, ישנם ארבעה כוחות טבעיים בסיסיים: גרעיני חזק, גרעיני חלש, כוח משיכה ואלקטרומגנטיות. האם מישהו מהם יכול לשחק במשחק הגדול הזה?
גרעיני חזק פועל רק בסולמות תת אטומיים זעירים, כך שזה ממש בחוץ. ואף אחד לא דואג לגרעין חלש, אלא בהתפרקויות ובאינטראקציות נדירות מסוימות, כך שנוכל גם לשים את זה לצד. ואלקטרומגנטיות ... ובכן, ברור שקרינה ושדות מגנטיים ממלאים תפקיד בחיים הגלקטיים, אך קרינה תמיד דוחפת החוצה (כך שברור שלא תסייע לשמור על כוכבים נעים במהירות) ושדות מגנטיים גלקטיים הם חלשים להפליא (לא חזקים יותר מ מיליון השדה המגנטי של כדור הארץ עצמו). אז ... לא, נכון?
כמו כמעט כל דבר בפיזיקה, יש דרך מעבר מטושטשת. ככל שנוכל לדעת, הפוטון - המוביל של כוח האלקטרומגנטיקה עצמה - חסר מסה לחלוטין. אבל תצפיות הן תצפיות ושום דבר במדע לא ידוע בוודאות, וההערכות העכשוויות מציבות את מסת הפוטון לא יותר מ- 2 X 10-24 המסה של האלקטרון. לכל דבר ועניין, זה בעצם אפס כמעט לכל דבר שאכפת לו. אבל אם הפוטון עושהיש מסה, אפילו מתחת לגבול הזה, זה יכול לעשות כמה דברים די מצחיקים לתיאוניברסיט.
עם נוכחות המסה בפוטון, משוואות מקסוול, האופן בו אנו מבינים חשמל, מגנטיות וקרינה, מקבלים צורה שונה. מונחים נוספים מופיעים במתמטיקה ואינטראקציות חדשות מקבלות עור וגידים.
אתה יכול להרגיש את זה?
האינטראקציות החדשות מורכבות במידה מספקת ותלויות בתרחיש הספציפי. במקרה של גלקסיות, השדות המגנטיים החלשים שלהם מתחילים להרגיש קצת משהו מיוחד. בגלל המהפך המסובך והמעוות של השדות המגנטיים, נוכחותם של פוטונים מסיביים משנה את משוואות מקסוול ב סתם הזכות להוסיף כוח אטרקטיבי חדש שבמקרים מסוימים יכול להיות סיבולת חזקה יותר בלבד.
במילים אחרות, הכוח האלקטרומגנטי החדש יוכל להצליח להסתובב עם הכוכבים הנעים במהירות ולהיפטר לחלוטין מהצורך בחומר אפל.
אבל זה לא קל. השדות המגנטיים משחילים לאורך הגז הבין-כוכבי של הגלקסיה, ולא הכוכבים עצמם. כך שהכוח הזה לא יכול למשוך ישירות לכוכבים. במקום זאת, על הכוח להודיע על משיכתו לגז, ואיכשהו הגז צריך ליידע את הכוכבים שיש עיר שריף חדשה.
במקרה של כוכבים מאסיביים קצרי מועד, זה די פשוט. הגז עצמו מסובב במהירות את גרעין הגלקסיה, יוצר כוכב, הכוכב חי, הכוכב מת, והשרידים חוזרים להיות גז מספיק מהר שבכל דבר וכל הכוכבים הללו מחקים את תנועת הגז, נותנים לנו עקומות הסיבוב שאנחנו צריכים.
צרה גדולה בכוכבים קטנים
אבל כוכבים קטנים וחיים ארוכים הם חיה אחרת. הם מתנתקים מהגז שייצר אותם וחיים את חייהם שלהם, מסתובבים סביב המרכז הגלקטי פעמים רבות לפני שפג תוקפם. ומכיוון שהם לא חשים את הכוח האלקטרומגנטי החדש והמוזר, הם צריכים פשוט להתרחק מהגלקסיות שלהם לגמרי, מכיוון ששום דבר לא שומר עליהם.
אכן, אם תרחיש זה היה מדויק וצילומי מסיב יכולים להחליף חומר אפל, השמש שלנו לא צריכה להיות במקום שהיא נמצאת היום.
מה שכן, יש לנו סיבה טובה מאוד להאמין שפוטונים באמת חסרי מסה. בטח, למשוואות של מקסוול אולי לא אכפת מאוד, אבל תורת היחסות והתיאוריה של שדות קוונטיים בהחלט אכן כן. אתה מתחיל להתעסק עם מסת הפוטונים ויש לך הרבה הסברים לעשות, אדוני.
בנוסף, רק בגלל שכולם אוהבים עקומות סיבוב גלקסיות אין פירוש הדבר שהם הדרך היחידה שלנו לחומר אפל. תצפיות מקבצי גלקסיות, עדשות כבידה, צמיחת המבנה ביקום ואפילו הרקע הקוסמי הקוסמי מצביעים כולם על כיוון של מרכיב בלתי נראה ליקום שלנו.
גם אם לפוטון היה מסה, והיה מסוגל איכשהו להסביר את תנועותיו של את כל כוכבים בגלקסיה, לא רק המאסיביים, היא לא תוכל להסביר את שלל התצפיות האחרות (למשל, כיצד כוח אלקטרו-מגנטי חדש יכול להסביר את כיפוף האור הכבידתי סביב אשכול גלקסיה? זו לא שאלה רטורית - זה לא יכול). במילים אחרות, אפילו בקוסמוס מלא בפוטונים מסיביים, עדיין היינו צריכים גם חומר אפל.
תוכלו לקרוא את מאמר היומן כאן.
