דון לינקולן הוא מדען בכיר במחלקה האמריקאית לפרמילאב בארה"ב, מוסד המחקר הגדול הגדול של הדרון קולידר באמריקה. הוא גם כותב על מדע לקהל, כולל את "הספירה הגדולה של הדרון הגדולה: הסיפור יוצא הדופן של היגס בוסון ודברים אחרים שיפוצו את דעתך" (הוצאת אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, 2014). תוכלו לעקוב אחריו בפייסבוק. לינקולן תרם מאמר זה לקולות המומחים של Live Science: Op-Ed & Insights.
אנשים רבים המלומדים במדע לוקחים את זה כמובן מאליו כי היקום עשוי לא רק מ"המיליארדים והמיליארדים "הגלקסיים המצוינים של קרל סייגן, אלא גם כמות עצומה של חומר בלתי נראה המכונה חומר אפל. עניין מוזר זה נחשב לסוג חדש של חלקיק תת-אטומי שאינו מתקשר באמצעות אלקטרומגנטיות, וגם לא הכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים. חומר אפל אמור להיות גם נפוץ פי חמש ביקום מאשר החומר הרגיל של האטומים.
עם זאת, המציאות היא שקיומו של חומר אפל טרם הוכח. חומר אפל הוא עדיין השערה, גם אם נתמך למדי. כל תיאוריה מדעית חייבת לחזות, ואם היא נכונה, המדידות שתעשו צריכות להתיישר עם התחזיות. כך גם לגבי חומר אפל. לדוגמה, תיאוריות של חומר אפל גורמות תחזיות לכמה מהר מסתובבות הגלקסיות. אולם עד כה, מדידות שנעשו על פי התפלגות החומר האפל המפורט במרכז הגלקסיות בעלות המסה הנמוכה לא עמדו בקנה אחד עם התחזיות הללו.
החישוב האחרון שינה את זה. החישוב עוזר לפתור את קונונדראומם של יחסי טולי-פישר המשווה את החומר הגלוי, או הרגיל, של גלקסיה למהירות הסיבוב שלה. במונחים מאוד פשוטים, מדענים גילו שככל שגלקסיית הספירלה מסיבית יותר (ולכן יותר מוארת) כך היא מסתובבת מהר יותר.
אך אם קיים חומר אפל, עד כמה גלקסיה "גדולה" צריכה להיקבע לא רק על ידי החומר הגלוי שלה, אלא גם על ידי החומר האפל שלה. עם חתיכת ענק מהמשוואה - כמות החומר האפל - חסר, הקשר טולי-פישר לא צריך להחזיק. ובכל זאת זה קורה. קשה היה לדמיין איזו דרך ליישב קשר זה עם תיאוריית החומר האפל הקיים. עד עכשיו.
מקורו של חומר אפל
הגרסאות הראשונות לכך שיש צורך במשהו כמו חומר אפל חוזרות לשנת 1932. האסטרונום ההולנדי ג'אן אוורט מדד את מהירויות הכביש של הכוכבים בנתיב החלב וגילה שהם נעו מהר מכדי שיוסברו על ידי המסה הנצפית של הגלקסיה.
כוכבים מקיפים את גלקסיית האב שלהם בכבישים כמעט מעגליים וכוח המשיכה הוא הכוח שמחזיק את הכוכבים במסלוליהם ההם. המשוואות של ניוטון מנבאות כי הכוח שגורם לכוכבים לנוע במסלול מעגלי, F (מעגלי), אמור להיות שווה לכוח הנובע מכוח הכבידה בכוכב, F (כוח משיכה), אחרת הכוכב היה עף לחלל או נופל פנימה מרכז הגלקסיה. למי שזוכר פיסיקה בתיכון, F (מעגלי) הוא הצהרת אינרציה והיא רק F = ma של ניוטון. F (כוח המשיכה) הוא חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון.
סמוך למרכז הגלקסיות גילו רובין ופורד ש- F (מעגלי) שווה בערך ל- F (כוח המשיכה), כצפוי. אך הרחק ממרכז הגלקסיות, שני צידי המשוואה לא התאימו במיוחד. בעוד שפרטים שונים בין גלקסיה לגלקסיה, התצפיות שלהם היו אוניברסליות במהותן.
פער כזה דרמטי זקוק להסבר. בסמוך למרכז הגלקסיות, המדידות של רובין ופורד משמעו שהתיאוריה עובדת, בעוד שהפערים במרחקים גדולים יותר במסלול פירושו שמשהו קורה שתיאוריות קיימות לא יכלו להסביר. התובנות שלהם חשפו כי או שאנחנו לא מבינים איך האינרציה עובדת (למשל F (מעגלי)), או שאנחנו לא מבינים איך כוח הכבידה עובד (למשל F (כוח המשיכה)). אפשרות שלישית היא שהסימן השוויוני שגוי, כלומר יש איזה כוח או השפעה אחרים שהמשוואה אינה כוללת. אלה היו האפשרויות היחידות.
הסבר את הפערים
בארבעים השנים שחלפו מאז עבודתם המקורית של רובין ופורד, מדענים בדקו תיאוריות רבות כדי לנסות ולהסביר את אי ההתאמות של הסיבוב הגלקטי שמצאו. הפיזיקאי מורדהאי מילגרום הציע שינוי באינרציה, המכונה "דינמיקה ניוטונית שונה", או MOND. במתכונתו הראשונית, הוא הניח כי בתאוצות נמוכות מאוד, המשוואה של ניוטון F = ma לא עבדה.
פיזיקאים אחרים הציעו לשנות את חוקי הכובד. תורת היחסות הכללית של איינשטיין אינה עוזרת כאן מכיוון שבתחום זה התחזיות של איינשטיין וניוטון זהות במהותן. ותיאוריות של כוח הכבידה הקוונטי, המנסות לתאר את כוח הכבידה באמצעות חלקיקים תת-אטומיים, אינן יכולות להיות ההסבר מאותה סיבה. עם זאת, ישנן תיאוריות כבידה המביאות חיזוי לסולמות גלקטיים או אקסטרגלאקטיים הנבדלים מכוח הכבידה הניוטוני. אז אלה אפשרויות.
ואז יש תחזיות שכוחות חדשים קיימים. רעיונות אלה משולבים זה בזה תחת השם "הכוח החמישי", המרמז על כוח מעבר לכוח המשיכה, האלקטרומגנטיות והכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים.
לבסוף, יש את התיאוריה של חומר אפל: שסוג של חומר שאינו מתקשר עם אור כלל ועם זאת מפעיל משיכה כבידתית, מחלחל ליקום.
אם מדידות הסיבוב הגלקטי היו הנתונים היחידים שיש לנו, ייתכן שיהיה קשה לבחור בין התיאוריות השונות. אחרי הכל, יתכן שניתן יהיה לצבוט כל תיאוריה כדי לפתור את בעיית הסיבוב הגלקטי. אך כעת ישנן תצפיות רבות על תופעות רבות ומגוונות שיכולות לעזור בזיהוי התיאוריה האמידה ביותר.
האחת היא מהירות הגלקסיות בתוך אשכולות גדולים של גלקסיות. הגלקסיות נעות מהר מכדי שהאשכולות יישארו קשורים זה לזה. תצפית נוספת היא של אור מגלקסיות רחוקות מאוד. תצפיות על גלקסיות עתיקות מאוד רחוקות אלה מראות כי אורם מעוות באמצעות מעבר בשדות הכבידה של אשכולות גלקסיות סמוכות יותר. ישנם גם מחקרים על אי אחידות קטנות של הרקע המיקרוגל הקוסמי המהווה זעקת הלידה של היקום. כל המדידות הללו (ועוד רבות אחרות) חייבות להיות מטופלות על ידי כל תיאוריה חדשה שתסביר את מהירויות הסיבוב הגלקטיות.
שאלות לא חשובות של חומר אפל
תורת החומר האפל עשתה עבודה סבירה בניבוי רבים ממדידות אלה, וזו הסיבה שהיא מכבדת היטב בקהילה המדעית. אבל חומר אפל הוא עדיין מודל לא מאושר. כל ההוכחות לקיומה עד כה הינן עקיפות. אם קיים חומר אפל, עלינו להיות מסוגלים לצפות ישירות באינטראקציות של חומר אפל כאשר הוא עובר בכדור הארץ וייתכן שנוכל ליצור חומר אפל במאיצי חלקיקים גדולים, כמו קולדר הדרדר הגדול. ובכל זאת אף אחת מהגישות לא הצליחה.
בנוסף, חומר אפל צריך להסכים עם כל, לא רק הרבה תצפיות אסטרונומיות. בעוד שחומר אפל הוא הדגם המוצלח ביותר עד כה, הוא לא מוצלח לחלוטין. מודלים של חומר אפל מנבאים יותר גלקסיות לוויין ננסיות המקיפות גלקסיות גדולות כמו שביל החלב מאשר מתגלים בפועל. למרות שנמצאים יותר גלקסיות גמדיות, עדיין יש מעט מדי בהשוואה לתחזיות החומר האפל.
שאלה גדולה ופתוחה נוספת היא כיצד חומר אפל משפיע על הקשר בין בהירות הגלקסיות למהירויות הסיבוב שלהם. מערכת יחסים זו, שהוצגה לראשונה בשנת 1977, נקראת הקשר טולי-פישר, והיא הראתה פעמים רבות כי המסה הנראית של גלקסיה מתאימה היטב למהירות הסיבוב שלה.
אתגרים קשים לחומר אפל
אז, זה מסיים את הסיפור האחורי. מה חדש?
הקשר טולי-פישר הוא אתגר קשה לדגמי החומר האפל. סיבוב הגלקסיה נשלט על ידי כמות החומר הכוללת שהיא מכילה. אם חומר אפל קיים באמת, אז כמות החומר הכוללת היא סכום החומר הרגיל והכהה כאחד.
אולם תיאוריית החומר האפל הקיימת מנבאת שכל גלקסיה אקראית עשויה להכיל שברים גדולים יותר או קטנים יותר של חומר אפל. לכן, כשמודדים את המסה הנראית לעין, יכול להיות שאתה מפסיד נתח ענק מכל המסה הכוללת. כתוצאה מכך, מסה גלויה צריכה להיות חיזוי גרוע ביותר של המסה הכוללת (ובכך מהירות הסיבוב) של הגלקסיה. המסה של הגלקסיה יכולה להיות דומה לזו של המסה הנראית (הרגילה) או שהיא יכולה להיות גדולה בהרבה.
לפיכך, אין סיבה לצפות שהמסה הנראית צריכה להיות מנבא טוב למהירות הסיבוב של הגלקסיה. עם זאת.
למעשה, במאמר שפורסם השנה השתמשו ספקני החומר האפל במדידות ביחסי טולי-פישר למגוון גלקסיות כדי להתווכח נגד השערת החומר האפל ולגרסה שונה של אינרציה, כמו MOND.
מתאים יותר לחומר אפל
עם זאת, במאמר שפורסם ביוני, מדענים העניקו למודלים של חומר אפל דחיפה משמעותית. לא רק שהעבודה החדשה משחזרת את ההצלחות של תחזיות קודמות של מודל החומר האפל, היא גם משחזרת את הקשר טולי-פישר.
העיתון החדש הוא מודל "חצי אנליטי", שמשמעותו היא שילוב של משוואות אנליטיות וסימולציה. זה מדמה את התגבשות החומר האפל ביקום המוקדם שעלול להיווצר היווצרות גלקסיה אך כולל גם את האינטראקציה של חומר רגיל, כולל דברים כמו התפרצות של חומר רגיל לגוף שמימי אחר בגלל משיכת הכבידה שלו, היווצרות הכוכבים והחימום. של דלק חודר לאור אור כוכבים וסופרנובות. על ידי כוונון זהיר של הפרמטרים, החוקרים הצליחו להתאים טוב יותר את הקשר הטולי-פישר החזוי. מפתח החישוב הוא שמהירות הסיבוב החזויה כוללת ערך ריאלי ליחס בין הברונים לחומר אפל בגלקסיה.
החישוב החדש הוא שלב נוסף חשוב באימות מודל החומר האפל. עם זאת, זו לא המילה האחרונה. כל תיאוריה מוצלחת צריכה להסכים עם כל המדידות. אי הסכמה פירושה שהתאוריה או הנתונים שגויים, או לפחות לא שלמים. עדיין נותרו כמה פערים בין חיזוי למדידה (כמו מספר גלקסיות הלוויין הקטנות סביב הגדולות), אך מאמר חדש זה נותן לנו ביטחון כי עבודה עתידית תפתור את הפערים הנותרים הללו. חומר אפל נותר תיאוריה חזויה בעוצמה למבנה היקום. הוא אינו שלם והוא זקוק לאימות על ידי גילוי החלקיק של החומר האפל. אז, עדיין יש עדיין עבודה. אבל החישוב האחרון הזה הוא צעד חשוב לקראת היום בו נדע אחת ולתמיד אם היקום באמת נשלט על ידי הצד האפל.
