קרדיט תמונה: ברקלי
חומר אפל הוא הילה בלתי נראית של חומר שנראה כי היא מקיפה כל גלקסיה. עד כה, האסטרונומים האמינו כי חומר אפל ככל הנראה יוצר ערפל אפילו חלקיקים בחלל, אך חוקרים מטעם UC ברקלי ו- MIT יצרו הדמיה ממוחשבת כיצד חומר אפל עשוי להתגבש יחד לנתחים גדולים יותר של חומר.
"החומר האפל" שכולל רבע מהיקום שאינו מורגש עדיין אינו ערפל קוסמי אחיד, אומר אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, אסטרופיזיקאי, אך במקום זאת נוצר גושים צפופים הנעים כמו מכות אבק הרוקדות במוט של אור.
במאמר שהוגש השבוע ל- Physical Review D, צ'ונג-פיי מא, פרופסור חבר לאסטרונומיה באוניברסיטת ברקלי, ואדמונד ברשינגר ממכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), מוכיחים כי ניתן לעצב את תנועתם של גושים של חומר אפל דרך דומה לתנועה הברונית של אבק או אבקה הנישאים באוויר.
ממצאיהם אמורים לספק לאסטרופיסיקאים דרך חדשה לחשב את התפתחותו של יקום הרפאים הזה של חומר אפל ולהתיישב עם היקום הנצפה, אמר מא.
חומר אפל מהווה בעיה מציקה באסטרונומיה כבר למעלה משלושים שנה. כוכבים בתוך גלקסיות וגלקסיות בתוך אשכולות נעים באופן שמצביע על כך שיש שם יותר חומר ממה שאנחנו יכולים לראות. נראה כי עניין בלתי נראה זה נמצא בהילה כדורית המתרחבת ככל הנראה פי 10 רחוקה יותר מההילה הכוכבית הנראית סביב גלקסיות. ההצעות המוקדמות לפיהן העניין הבלתי נראה מורכב מכוכבים שרופים או נייטרינים כבדים לא חלפו, והמועמדים האהובים כיום הם חלקיקים אקזוטיים המכונים נייטרילינוס, צירים או חלקיקים סופר-סימטריים היפותטיים אחרים. מכיוון שחלקיקים אקזוטיים אלה מתקשרים עם חומר רגיל דרך כוח הכבידה בלבד, לא באמצעות גלים אלקטרומגנטיים, הם לא פולטים אור.
"אנחנו רואים רק מחצית מכל החלקיקים," אמרה מא. "הם כבדים מכדי לייצר עכשיו במאיצות, כך שחצי מהעולם איננו יודעים עליו."
התמונה רק החמירה לפני ארבע שנים כאשר התגלה כי "אנרגיה אפלה" נפוצה אפילו יותר מחומר אפל. החשבון הקוסמי מרתק כעת אנרגיה אפלה בערך 69 אחוז מהיקום, חומר אפל אקזוטי ב 27 אחוז, חומר אפל ארצני - כוכבים עמומים ובלתי נראים - ב 3 אחוז, ומה שאנחנו רואים למעשה באחוז אחד בלבד.
בהתבסס על מודלים ממוחשבים כיצד החומר האפל ינוע תחת כוח הכובד, אמרה מא כי החומר האפל אינו ערפל אחיד העוטף אשכולות גלקסיות. במקום זאת, חומר אפל יוצר גושים קטנים יותר שנראים באופן שטחי כמו הגלקסיות והאשכולים הכדוריים שאנו רואים ביקום הזוהר שלנו. לחומר האפל יש חיים דינמיים שאינם תלויים בחומר הזוהר, אמרה.
"הרקע הקוסמי של המיקרוגל מראה את ההשפעות המוקדמות של גוש החומר האפל, והגושים האלה צומחים תחת משיכה כבידה," אמרה. "אבל כל אחד מהגושים האלה, ההילה סביב אשכולות הגלקסיה, נחשב להיות חלק. אנשים הסתקרנו לגלות שהדמיות ברזולוציה גבוהה מראות שהן לא חלקות, אלא במקום זאת יש מבני משנה מורכבים. לעולם האפל יש חיים דינמיים משל עצמם. "
מא, ברשינגר ותלמידת הבוגרים של אוניברסיטת ברקלי, מייקל בוילן-קולצ'ין, ביצעו חלק מההדמיות הללו בעצמם. מספר קבוצות אחרות בשנתיים האחרונות גילו גם גוש דומה.
יקום הרפאים של החומר האפל הוא תבנית ליקום הנראה לעין, אמרה. חומר אפל הוא פי 25 בשפע מאשר חומר גלוי גרידא, ולכן חומר גלוי אמור להתגודד בכל אשכולות של חומר אפל.
בתוכו טמונה הבעיה, אמרה מא. הדמיות ממוחשבות של התפתחות החומר האפל מנבאות הרבה יותר גושים של חומר אפל באזור מאשר ישנם גושים של חומר זוהר שאנו יכולים לראות. אם חומר זוהר עוקב אחר חומר אפל, צריך להיות מספרים שווים כמעט לכל אחד מהם.
"הגלקסיה שלנו, שביל החלב, מכילה כתריסר לוויינים, אבל בהדמיות אנו רואים אלפי לוויינים של חומר אפל", אמרה. "חומר אפל בנתיב החלב הוא סביבה דינאמית, מלאת חיים, בה אלפי לוויינים קטנים יותר של גושים של חומר אפל מסתובבים סביב הילה של חומר אב אפל גדול, ומתקיימים כל הזמן ביניהם ומפריעים זה לזה."
בנוסף, אסטרופיסיקאים שדגמו את תנועת החומר האפל תמוה לראות כי לכל גוש צפיפות הגיע לשיא במרכזו ונפל לעבר הקצוות באותה צורה, ללא תלות בגודלו. עם זאת, נראה כי פרופיל צפיפות אוניברסלי זה מתנגש עם תצפיות על כמה גלקסיות גמדיות שנעשו על ידי עמיתו של מא, פרופסור ברקלי לאוניברסיטת אסטרונומיה, ליאו בליץ, וקבוצת המחקר שלו, בין היתר.
מא מקווה שדרך חדשה להסתכל על תנועת החומר האפל תפתור את הבעיות ואת התיאוריה המרובעת בהתבוננות. במאמר פיסיקלי סקירה שלה, שנדון בפגישה מוקדם יותר השנה של החברה האמריקאית לפיזיקליות, היא הוכיחה כי ניתן לתכנן את תנועת החומר האפל בדומה לתנועה הבריאנית שתיארה הבוטנאי רוברט בראון בשנת 1828 ואלברט איינשטיין הסביר בסמל 1905. מאמר שעזר לגייס לו את פרס נובל לפיזיקה ב -1921.
תנועה בראונית תוארה לראשונה כשביל הזיגזג שנע דרך גרגר אבקה שצף במים, נדחף על ידי מולקולות מים המתנגשות בו. התופעה מתייחסת באותה מידה לתנועת האבק באוויר ולגושים צפופים של חומר אפל ביקום החומר האפל, אמרה מא.
תובנה זו "בואו נשתמש בשפה אחרת, נקודת מבט שונה מההשקפה הסטנדרטית," כדי לחקור את התנועה והתפתחות החומר האפל, אמרה.
אסטרונומים אחרים, כמו פרופסור ברקלי אמריטוס לאסטרונומיה איוון קינג, השתמשו בתיאוריה של תנועה בראוניאנית כדי לדגמן את תנועתם של מאות אלפי כוכבים בתוך אשכולות כוכבים, אך זו, אמרה מא, "זו הפעם הראשונה שהיא מיושמת בקפדנות עד מאזניים קוסמולוגיים גדולים. הרעיון הוא שלא אכפת לנו בדיוק היכן נמצאים הגושים, אלא איך הגושים מתנהגים סטטיסטית במערכת, איך הם מתפזרים בכבידה. "
מא ציין כי תנועת הגושים של בראוניאן נשלטת על ידי משוואה, משוואת פוקר-פלאנק, המשמשת למודל תהליכים סטוכסטיים או אקראיים רבים, כולל שוק המניות. מא ומשתפי הפעולה עובדים כעת על פתרון משוואה זו עבור חומר אפל קוסמולוגי.
"מפתיע ומענג שהאבולוציה של החומר האפל, התפתחות הגושים, מצייתת למשוואה פשוטה בת 90 שנה," אמרה.
העבודה נתמכה על ידי מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי.
המקור המקורי: UC Berkeley
