ידענים: אסטרופיסיקה

מאת 2 בינואר 2017 24 תגובות

הלכה לעולמה האסטרופיזיקאית האמריקאית פורצת הדרך ורה רובין, ששפכה אור חדש על תנועת הגלקסיות והוכיחה שהחומר האפל אכן קיים

רובין יחד עם קנט פורד בוחנים את הציוד במצפה לוול בשנת 1965. מקור: Carnegie Institution, Department of Terrestrial Magnetism.

רובין יחד עם קנט פורד בוחנים את הציוד במצפה לוול בשנת 1965. מקור: Carnegie Institution, Department of Terrestrial Magnetism.

במערכת השמש שלנו, כוכבי הלכת מצייתים לחוקי קפלר: ככל שהם קרובים יותר לשמש, כך מהירותם גבוהה יותר. כוכב הלכת חמה מקיף את השמש מהר יותר מנוגה ומכדור הארץ, שבתורם מהירים יותר ממאדים, צדק, שבתאי וכן הלאה.

אולם, בשנות ה-70 של המאה ה-20 התברר שזה לא כך בכל מקום. תצפיות על גלקסיות מרוחקות העלו שהכוכבים שבשולי הגלקסיות נעים מהר יותר מכוכבים הקרובים למרכז. ככל שאנו יודעים, גם בגלקסיה שלמה, כמו במערכת שמש יחידה, רוב המסה נמצא במרכז ומי שקרוב יותר למרכז המסה צריך לנוע מהר יותר.

מסקנתם של החוקרים הייתה שאם הכוכבים החיצוניים אכן נעים יותר, כנראה יש בשולי הגלקסיות האלה עוד מסה שאיננו יכולים לראותה, לכן הם כינו את המסה הזו "חומר אפל". מאחורי הגילוי עמדה מדענית יוצאת דופן ופורצת דרך, שהלכה השבוע לעולמה.

גלקסיות סוטות מדרכן

ורה קופר (Cooper) נולדה בפילדלפיה ב-1928. היא הייתה בתם השנייה של פיליפ קופר, מהנדס חשמל יהודי יליד ליטא, ורוז (אפלבאום), חשבת בחברת הטלפון בֶּל. כשהייתה בת עשר עברה המשפחה לוושינגטון הבירה. ורה התעניינה באסטרונומיה מגיל צעיר, ואביה תמך בה ועודד אותה. הוא לקח אותה לתצפיות ולהרצאות של אסטרונומים חובבים, ואף סייע לה לבנות את הטלסקופ הראשון שלה כשהייתה בת 14.

קופר למדה לתואר ראשון במכללת וסאר שבמדינת ניו יורק, אחת המכללות היוקרתיות לנשים בזמנה. כשסיימה ב-1948 ביקשה להמשיך את לימודיה באוניברסיטת פרינסטון, אך נדחתה משום שהאוניברסיטה היוקרתית לא הסכימה לקבל נשים. בסופו של דבר התקבלה ללימודי תואר שני באוניברסיטת קורנל, ולמדה אצל כמה מהפיזיקאים הבולטים של תקופתה. שם היא גם הכירה את רוברט רובין (Rubin), תלמיד מחקר בכימיה פיזיקלית, והם נישאו כעבור כמה חודשים.

בעבודת המסטר שלה חקרה רובין תנועה של גלקסיות. שנים קודם לכן הוכיח הפיזיקאי הנודע אדווין האבל כי היקום מתפשט, באמצעות מדידות של שינוי הצבע של גלקסיות מרוחקות. כאשר גוף מתרחק מאתנו במהירות גבוהה מאוד, אורכי הגל של הצבעים שלו ייראו לנו ארוכים יותר, כלומר שואפים יותר לגוונים האדומים, לכן התופעה מכונה "הסחה לאדום". האבל בחן מדידות כאלה וגילה כי ככל שגלקסיה רחוקה יותר מאיתנו, כך היא מתרחקת במהירות גבוהה יותר. המסקנה הייתה שכל הגלקסיות התחילו באותו מקום בערך, ושהיקום שלנו מתרחב והולך.

רובין התעמקה בנתונים וגילה שגלקסיות רבות אינן מתרחקות מאתנו ישירות, כפי שצפוי מהתפשטות היקום, אלא נעות גם "הצדה", כלומר סוטות מנתיב ההתרחקות המהירה. תוצאות מחקרה לא התקבלו בעין יפה, וכמה כתבי עת מובילים סירבו לפרסם את המאמר שכתבה.

תעלומת החומר האפל

לאחר התואר השני המשיכה רובין לדוקטורט באוניברסיטת ג'ורג'טאון בוושינגטון, בהדרכתו של ג'ורג' גאמוב, מאבות תיאוריית המפץ הגדול. היא המשיכה לעסוק בחקר גלקסיות ותנועתן, והייתה בין הראשונים להבין שהגלקסיות אינן מפוזרות ביקום באופן אקראי ואחיד פחות או יותר אלא מרוכזות בצבירים. היא סיימה את מחקרה ב-1954, אך גם עבודה זו לא זכתה להכרה של ממש. רק בשנות ה-70, כשהחל מחקר נרחב יותר על גופים קוסמיים גדולים במיוחד, התקבלו תובנותיה של רובין בקהילה המדעית.

לאחר שקיבלה את הדוקטורט המשיכה לחקור באוניברסיטת ג'ורג'טאון וללמד בה עשור נוסף, והתקדמה לדרגת פרופסור. מחקריה עסקו בתנועות גלקסיות, ובין היתר היא החלה להתעמק בסוגיות הסיבוב של מערכות כוכבים שונות סביב עצמן.

בשנת 1965 עברה למכון קרנגי שבוושינגטון, ששם עשתה את מחקרה המפורסם ביותר. היא חקרה עם עמיתה קנט פורד (Ford) את תנועת הכוכבים בגלקסיית אנדרומדה, השכנה הקטנה של שביל החלב, בניסיון להבין את פיזור המסה בגלקסיה. להפתעתם, התברר להם שתנועת הכוכבים בחלקה החיצוני של הגלקסיה הייתה מהירה לפחות כמו תנועתם של הכוכבים שבמרכזה.

רובין ופורד בחנו את המצב בעוד כמה עשרות גלקסיות, והגיעו למסקנה שהתופעה הזו רחבה למדי. המסה הנראית לעין של הכוכבים בגלקסיה אינה יכולה להסביר את מהירותם של הכוכבים החיצוניים, לכן ישנה כנראה מסה נוספת, שאיננו יכולים לראותה. הרעיון של חומר אפל הועלה כבר בשנות ה-30, אבל עבודתם של רובין ופורד סיפקה הוכחות ראשונות לקיומו. כיום מעריכים חוקרים ש90-70 אחוזים ממסת היקום כולו הם חומר אפל. מוסדות מחקר רבים ברחבי העולם מנסים לפענח את טיבו של החומר האפל, בהם CERN, מאיץ החלקיקים האירופי הענקי.

אסטרואיד וחדרי שירותים

עבודתה פורצת הדרך של רובין זיכתה אותה בפרסים מדעיים ובאותות הוקרה רבים, בראשם המדליה הלאומית האמריקאית למדעים (1997), פרס גרובר (2002) ומדליית הזהב של החברה המלכותית הבריטית לאסטרונומיה (1996). היא גם זכתה לאסטרואיד הנושא את שמה, ובשנים האחרונות הוזכרה כמה וכמה פעמים כמועמדת לפרס נובל בפיזיקה. "החומר האפל שינה מן היסוד את תפיסתנו בנוגע ליקום וחולל מהפכה בפיזיקה כולה. המאמצים להבין את טיבו מעסיקים חוקרים רבים באסטרופיזיקה ובפיזיקה של חלקיקים", אמרה ד"ר אמילי לאבסק (Levesque), אסטרופיזיקאית מאוניברסיטת וושינגטון בראיון לכתב העת Astronomy. "צוואתו של אלפרד נובל קובעת שהפרס בפיזיקה יוענק על התגלית החשובה ביותר בתחום. אם חומר אפל אינו מתאים לתיאור הזה, איני יודעת מה כן מתאים".

נוסף על עבודתה המדעית פורצת הדרך, פעלה רובין רבות גם לקידום נשים במדע, במיוחד באסטרונומיה. בין השאר, היא הייתה האישה הראשונה שקיבלה אישור להפעיל את הטלסקופ הענקי שבמצפה הכוכבים בהר פלומר (Palomar) בקליפורניה, שהיה במשך שנים ארוכות הטלסקופ הגדול והחשוב בארצות הברית. אחת מעמיתותיה סיפרה שבמצפי הכוכבים לא היו אפילו חדרי שירותים לנשים, עד שרובין פשוט גזרה דמות אישה מנייר, הדביקה אותה על הדלת של שירותי הגברים באחד המצפים וקבעה עובדה בשטח. גם פעילותה לקידום נשים זכתה להוקרה, ובשנת 1996 היא הייתה השנייה שמקבלת את פרס ויצמן, שמעניק מכון ויצמן למדע למדעניות מובילות בארצות הברית.

במשך שנים רבות שילבה רובין את עבודתה עם גידול ארבעת ילדיה. "כמעט כל הקריירה שלי עבדתי כאילו אני במשרה חלקית", סיפרה בראיון למגזין "דיסקאבר" ב-2002. "יצאתי מוקדם כדי להיות עם הילדים מהשעה שלוש, וחלק גדול מהעבודה שלי עשיתי מהבית". היא נחלה הצלחה בשתי החזיתות: ארבעת ילדיה הם בעלי דוקטורט במדעים – שניים מבניה הם גיאולוגים, אחד מתמטיקאי, ובתה ג'ודית הלכה בעקבותיה ופיתחה קריירה בתחום האסטרונומיה.

רובין המשיכה לעבוד במכון קרנגי עד פרישתה לגמלאות, והמשיכה להיות מעורבת במחקר מדעי עד השנים האחרונות, כשלקתה בשיטיון (דמנציה), ולא יכלה לעבוד עוד. היא הלכה לעולמה ב-25 בדצמבר בבית אבות בפרינסטון, לא רחוק מהאוניברסיטה שסירבה לקבל אותה ללימודים רק בשל היותה אישה. "היא הייתה מדענית רבת הישגים ודמות מופת למדענים צעירים ולמדעניות צעירות", ספד לה נשיא מכון קרנגי, מת'יו סקוט. "ורה רובין הייתה אוצר לאומי".

24 תגובות ל “האישה שמאחורי החומר האפל”

  1. סבדרמיש יהודה

    לחיים פ
    אסביר שוב. חור שחור במרכז הגלקסיה כמו שיש למשל בשביל החלב הוא זעיר יחסית, מסה של כמה מיליוניי שמשות ס"ה שלא מספיקה לשינוי בתנות גלקסיה ממוצעת שמסתה כמאה מיליארד מסות שמש.. המסה הנידרשת לצורך התיקון היא כטריליון שמשות כלומר פי עשר מכל המסה שיש בגלקסיה. בנוסף גם אם יהיה קיים במרכז חור שחור בגודל כזה הוא רק יסבך את התיאוריה . אומנם הכוכבים הרחוקים מהמרכז יסתובבו יותר מהר כנידרש, אבל גם הפנימיים יסתובבו יותר מהר ולכן לא פתרנו את הבעייה. חסרה מסה בגלקסיה הרחק מהמרכז ואם תעשה אותה ממסה רגילה תהיה לנו בעיית חיכוך והגלקסיה לא תוכל להסתובב סביב צירה מיליארדיי שנים.. אבל כמו שאתה אומר אולי חורים שחורים קטנים שמפוזרים במרחביי הגלקסיה וגם סביבה, שלא יגרמו לחיכוך (אלא אם יתנגשו איתם?)….אולי. אבל יש מחקר שנעשה שחיפש את מעברם של חורים שחורים כאלה על רקע הכוכבים אור שהיה עובר ליד חור שחור כזה היה מתעקם ואת זה אפשר היה להבחין. לצערי זה לא אובחן במידה הנידרשת.
    נא להגיב בעדינות
    סבדרמיש יהודה

  2. חיים פ

    (ליהודה)
    לא השתכנעתי מהסברך שהיה עמום משהו.
    הבנתי שהקוסמולוגים מאוד משוכנעים שחורים אינם יכולים למלא את תפקיד החומר האפל, שזה לא מסתדר בסימולציות.

  3. סבדרמיש יהודה

    לחיים פ.
    חורים שחורים בנויים ממסה בריונית ואנו יודעים איך היא תתנהג .והיא לא מתאימה למה שאנו יכולים לדרוש מהחומר האפל. לחומר האפל אנו יכולים לתת כל תכונה כדי שהוא לא יפריע למשל אין לו את תכונת החיכוך כי אם תהיה לו תכונה זו זה יפריע לסיבוב הגלקסיה בנוסף אפשר לשים אותו איפה שרק צריכים למשל רחוק ממרכז הגלקסיה . חורים שחורים מתרכזים במרכז הגלקסיה ואנו דורשים מהם להיות גם מסביב לגלקסיה רחוק מהמרכז.. גם מחקרים רבים שנעשו מונעים את האפשרות שחורים שחורים יקיימו את כל השפעת החומר האפל הנדרשת.
    כמה פשוט יותר לוותר על הגרביטציה במרחקים ולחפש תופעה אחרת שתאפשר תנועת הגלקסיות..
    נא להגיב כעדינות
    סבדרמיש יהודה
    yekumpashut.freevar.com

  4. חיים פ

    ליהודה
    יש לי כאן שאלה עקרונית, מהותית:
    אי אפשר לראות באופן ישיר חורים שחורים.
    אז מה מונע בעדי לטעון שאין חומר אפל אלא רק מסה של חורים שחורים – הרבה יותר ממה שחושבים? ושהם מפוזרים בגלקסיה בהתאם לפיזור המשוער של החומר האפל?
    אומרים שיש יותר מסה מ"מה שנראה". מי אמר שיש יחס ישיר וקבוע בין מסה נראית למסה של חורים שחורים מסביב? אולי יחס זה תלוי בסביבה שהיא די אקראית?
    התשובה לשאלה זו בעצם תענה על הצגת הדברים שהצגתי קודם.

  5. סבדרמיש יהודה

    לחיים פ
    לאחר מחשבה, אין הבדל אם נתחיל לעשות את החישובים כמו שאתה אומר – מהחוץ פנימה במקום כנהוג מפנים הגלקסיה החוצה. בשני המקרים נגיע לאותה תוצאה.- הוספת חומר (אפל) רב לגלקסיה.
    סבדרמיש יהודה

  6. סבדרמיש יהודה

    לחיים פ,
    אחשוב ואשיב לך, בדרך כלל מודדים מהמרכז כלפי חוץ בגלקסיה כי עד למרחק כמה אלפי שנות אור מהמרכז הכול מתנהל על פי ניוטון. רק בהמשך מתגלית הסטייה. אתה מנסה לתת רעיון של מבחוץ פנימה. מעניין.
    יהודה

  7. חיים פ

    ליהודה.
    הכוכבים החיצונים נעים במהירות נתונה, ומזה יש לגזור את מסת הגלקסיה. (מסה זו מתגלמת בכוכבים ובחורים שחורים).
    לאחר שמסת הגלקסיה ידועה, יש לחשב את המהירות (המשיקית) של כוכבים שהם יותר פנימיים. ואז, לפי המהירות המשיקית שלהם, לגזור את המסה הפנימית כפונקציה של המרחק ממרכז הגלקסיה. באופן זה אפשר יהיה לחשב את התפלגות החומר בתוך גלקסיה.
    לדוגמא. נניח שהמהירות המשיקית החיצונית (מרחק 100 יחידות מהמרכז) היא 100% (250 מטר לשנייה).
    נניח שהמהירות המשיקית במרחק 80% מהמרכז היא V, אזי:
    אם הערך V הוא גבוה, נאמר 90%, אז המסה הפנימית בתוך הכדור שרדיוסו 80%- היא גבוהה.
    ואם הערך V נמוך, נאמר 70%, אז המסה הפנימית של אותו כדור של 80%- היא נמוכה.
    לאחר שחשבנו את גודל המסה של הכדורים במרחק של 90%, 80%, 70%, 60% וכן הלאה, יהיה לנו מושג על צפיפות המסה בגלקסיה כפונקציה של המרחק מהמרכז. נוכל גם למדוד את היחס בין הבוהק לבין המסה, ולשייך את החריגות לחורים שחורים.
    אינני פיזיקאי מקצועי. הלוואי שהייתי. הייתי שמח לרדת לעומקם של דברים.

  8. סבדרמיש יהודה

    חיים פ
    ההסבר שלי מתייחס לחומר האפל ולא לאנרגיה האפלה. אסביר שוב. מהירות הסיבוב של הגלקסיה הספיראלית בשכבות החיצוניות שלה היא גדולה יחסית למה שנובע מהמסה הנראית בגלקסיה. כ 250 ק"מ לשנייה במקום 70 ק"מ לשנייה לפי ניוטון. אם רוצים להמשיך להחזיק בנוסחת ניוטון יש להוסיף לגלקסיה חומר אפל אבל בשכבות החיצוניות של הגלקסיה . כי אם יכניסו את החומר פנימה , מה שיקרה שגם החלקים הפנימיים של הגלקסיה ינועו יותר מהר.
    אני מקווה שהובנתי.
    שנה טובה!
    סבדרמיש יהודה
    yekumpashut.freevar.com

  9. jחיים פ

    לא הבנתי איך הערתך רלוונטית.
    ההסבר שלי מתייחס לחומר האפל, ואתה מתייחס לאנרגיה האפלה, שהיא פעילה ברמה הבין גלקטית.
    ההסבר שלי מתיימר לטעון שאין צורך בחומר אפל.
    בכל אופן, ידוע לי שבסימולציות מחשב, התברר שחייבים "להשתיל" חומר אפל כדי שהמימצאים יתאימו לניוטון.
    כלומר, שההסבר שלי כנראה לא עונה על כל הבעיות.
    ידוע לי על מדען ישראלי (שאיני יודע מה עלה בגורלו) שגם הוא הלך בכיוון שלך: תיקון באחת מנוסחאות ניוטון. (שמעתי עליו לפני כ-7 שנים).

  10. סבדרמיש יהודה

    לחיים פ.
    ענני הגזים הנמצאים מחוץ לגלקסיה למרחקים של עשרות אלפי שנות אור מחוצה לה,עדיין נעים במהירות גבוהה ולא מראים "רצון" להפחית את מהירותם על פי ניוטון לכן יש צורך להוסיף מסה אפלה הגדולה יותר מהמסה הבריונית של הגלקסיה מסביב לגלקסיה ומחוצה לה עדי לשמור על נוסחת ניוטון. מצטער, הרעיון שלך לא עומד במבחן המדידות.
    סבדרמיש יהודה

  11. חיים פ

    תיקון:
    שגיאת קולמוס. צריך להיות: השמש שלנו מקיפה את מרכז הגלקסיה במהירות גבוהה משמש אחרת שנמצאת יותר בפנים. ו**לאט** יותר משמש אחרת שהיא חיצונית יותר.

  12. חיים פ

    ספקולציה על המהירות המשיקית בתוך גלקסיה.
    נחצוב מנהרה מפני הארץ דרך מרכז הכדור עד לצד השני.
    אם נבדוק בתוך המנהרה את עוצמת המשיכה למרכז הכדור, נגלה שאי אפשר להשתמש בנוסחת ניוטון כמות שהיא. ככול שנתקדם למרכז הכדור – כך תקטן המסה שמושכת אותנו פנימה, ותגדל המסה המושכת אותנו לאחור. התאוצה g תלך ותקטן עד שתתאפס במרכז הכדור.
    שיקולים שונים מובילים אותי למחשבה שהתאוצה g פרופורציונית ל-r שהוא המרחק ממרכז הכדור.
    אני בטוח שחישובים אלה די דומים לחישובים ברמה גלקטית. אם גוף נמצא בתוך גלקסיה, המשיכה למרכז מתמעטת והולכת ככל שהגוף קרוב למרכז הגלקסיה (לא להתבלבל עם משיכה לנקודות כובד כגון חורים שחורים). זה אומר שהתאוצה הגרביטציונית הגלקטית הולכת וקטנה.
    וזה גם אומר שהכוכבים הפנימיים נעים לאט יותר מהכוכבים החיצוניים, במסלולם סביב הגלקסיה.
    לדוגמה: השמש שלנו מקיפה את מרכז הגלקסיה במהירות גבוהה משמש אחרת שנמצאת יותר בפנים. ומהר יותר משמש אחרת שהיא חיצונית יותר.
    מדוע זה לא קורה במערכת השמש? כי 99% ממסת מערכת השמש היא השמש עצמה.
    (כמובן, גוף שנמצא מחוץ לגלקסיה ינהג רגיל ויהיה ממושמע לחוקי ניוטון).
    אינני רגיש כמו יהודה'לה ואתם מוזמנים לפרק את הספקולציה שלי לחתיכות.

  13. הרצל

    שכחתי להסביר למה – הסיבה היא שאור נראה נבלע בגז ואבק בין כוכבי עד שמגיע אלינו, ואילו אור איפרא אדום כמעט לא נבלע.

  14. הרצל

    מתחילה להתברר תמונה שהחומר האפל הוא תולדה של טעות מדידה. מסתבר שבאור נראה לא מודדים נכון את המסות בגלקסיות. אור אינפרה אדום הוא הרבה יותר מדויק. אז במדידה באור איפרא אדום יוצא שבחלק החיצוני של 153 גלקסיות שנמדדו יש התאמה מלאה בין החישוב הניוטוני/איינשטיני ומהירות הסיבוב של הכוכבים בגלקסיה. בחלק הפנימי יש עדיין סטייה, פי 2 (ולא פי 5 כמו שמניחים חוקרי החומר האפל). ייתכן שגם סטייה זו תתוקן בעתיד. בכל מקרה סטייה קטנה כזו אינה "אקדח מעשן" עבור חומר אפל.
    ראו:
    https://arxiv.org/abs/1609.05917
    צריך ללחוץ על "הורדת PDF" והביטו בעיקר על ציור 3.

  15. יוסי

    החומר האפל, הוא כרגע לא יותר מיש תיאורטי אשר מנסה להסביר את תנועת הגלקסיות. עד כה אין הוכחה לקיומו. הסבר אחר יכול להיות קשור למה שהצעת סבדרמיש יהודה שאכן קיים קושי במשוואות שאנו משתמשים בהם. ייתכנו הסברים תיאורטיים נוספים אשר יישבו את האנומליה בתנועת הגלקסיות.

  16. ניסים

    יהודה
    אם חברי ועדת פרס נובל כל כך חכמים – למה הם לא נותנים לך את הפרס? אני שואל ברצינות.

  17. סבדרמיש יהודה

    אף אחד עדיין לא קיבל פרס נובל על החומר האפל. הם מספיק חכמים שם להבין שם שקיומו בספק רב. כאשר הנתונים הנימדדים בגלקסיות לא מתאימים בצורה אדירה למה שמתקבל מהנוסחה של ניוטון, יש לזרוק באומץ את הנוסחה ולא את הנתונים . תמיד כשאין התאמה בצורה מסיבית יש לזרוק את הנוסחה וזה עבור כל נוסחה. כאן לא מדובר על תיקון קטן כמו זה שהביא לגילוי כוכבי הלכת אורנוס נפטון ופלוטו. בגלקסיות מדובר בסטייה אדירה!. אבל, עשו את נוסחת ניוטון ו/או את חוקי קפלר לקדושים, בהם לא נוגעים, ואילו את הנתונים הנימדדים היטב, משנים כמה שרוצים העיקר שיתאימו לנוסחה הקדושה. ואת החומר האפל מוסיפים בצורה מסיבית אפילו מוסיפים לפעמים פי עשרות ופי מאות מהחומר הבריוני הנימדד, וכשזה לא מספיק עדיין, מוסיפים עוד "המצאת המאה" -האנרגיה האפלה.
    וורה רובין הייתה מדענית חכמה אבל כאן היא טעתה , וטעתה את אחת הטעויות המדעיות הכי קיצוניות של המאה העשרים.
    נא להגיב בעדינות.
    שנה אזרחית טובה לכולם
    סבדרמיש יהודה
    yekumpashut.freevar.com

הוספת תגובה

  • (will not be published)