המטרה: לפתור את תעלומת החומר האפל

כמאה מדענים מכל העולם, ובהם מדענים ממכון ויצמן למדע, חנכו אתמול – במנהרה מתחת להר גראן סאסו, בשרשרת הרי האפנינים באיטליה, את ניסוי "קסנון טון אחד", בתקווה למצוא פתרון לתעלומת החומר האפל, שמהווה ככל הנראה כ-85% מכלל החומר ביקום

מדענים בלבוש ייעודי עובדים על הקסנון 1 טון TPC. צילום: יח"צ
מדענים בלבוש ייעודי עובדים על הקסנון 1 טון TPC. צילום: יח"צ

כמאה מדענים מכל העולם, ובהם מדענים ממכון ויצמן למדע, חנכו אתמול – במנהרה מתחת להר גראן סאסו, בשרשרת הרי האפנינים באיטליה, את ניסוי "קסנון טון אחד", בתקווה למצוא פתרון לתעלומת החומר האפל, שמהווה ככל הנראה כ-85% מכלל החומר ביקום.

ד"ר רן בודניק ממכון ויצמן למדע, ראש הקבוצה של מדעני המכון שמשתתפים בניסוי: "היקום, מסיבה שעדיין אינה ברורה לנו, 'מתנהג' כאילו שהוא מכיל הרבה יותר חומר מכמות החומר שאנחנו רואים בו. זו תופעה גורפת, שאנו מבחינים בה, אם כי בצורות שונות, בהתנהגות של היקום כולו, וכן בתנועתם של צבירי גלקסיות, ענני חומר בין-כוכביים וגלקסיות בודדות".

השיטה המקובלת לחישוב המאסה של חלקי יקום שונים, מבוססת על מדידת מהירותם של הגלקסיות, הכוכבים וענני הגז הכלולים בו, ועל מדידת המסלול שבו הם נעים. בשיטת השקילה, או החישוב הזאת, מתקבלות תוצאות שלפיהן כל הגלקסיות, הכוכבים והגז שאנו מבחינים בהם, אינם אלא חלק קטן מ"הסיפור האמיתי" של החומר ביקום. למשל, אם הגלקסיות היו מכילות רק את החומר שאנחנו רואים בהן, גרמי השמים השונים הכלולים בגלקסיות, היו צריכים להתרחק זה מזה ו"לפרק את השותפות". בעבר סברו שההתרחשות הזאת נמנעת הודות לפעולתם של כוחות כבידה המופעלים על-ידי מרכיבי הגלקסיות – הכוכבים וענני הגז עצמם. כלומר, כוחות הכבידה שלהם עצמם מכריחים אותם להישאר יחד. אבל בינתיים התברר שהחומר שאנו רואים בגלקסיות, אין די בו כדי להפעיל כוחות כבידה חזקים כאלה. מדוע, אם כן, הגלקסיות אינן מתפרקות, ומדוע הכוכבים הכלולים בהן אינם מתפזרים לכל עבר ביקום?

היעדרן של תשובות לשאלות הללו, מאיימת על תפיסת היקום שלנו כולה. הפיסיקאים המבקשים לפתור את אי-ההתאמה הזאת שבין כמות החומר הנראה ביקום, לבין הסימנים לקיומו של חומר רב יותר (או כבד יותר), ביצעו בשני העשורים האחרונים מספר ניסויים במטרה לגלות את החומר האפל, הן באופן ישיר – באמצעות גלאים מיוחדים שנבנו והוצבו על כדור-הארץ – והן באופן עקיף, באמצעות תצפיות בתופעות שונות בחלל. עד כה, כל המאמצים האלה לא הוכתרו בהצלחה.
כדי לנסות ולפתור את התעלומה התאגדו יותר ממאה מדענים מעשר מדינות, להקמתו ולהפעלתו של מתקן ניסוי ייחודי שנבנה במיוחד למטרה זו, במנהרה שנחפרה מתחת להר גראן סאסו בהרי האפנינים באיטליה. הניסוי קרוי "קסנון טון אחד" (Xenon 1 Tonne), על-שם הגז האציל שמצוי במיכל המרכזי של הגלאי שנועד לזהות את חלקיקי החומר האפל שאולי מגיעים לכדור-הארץ. הניסוי החדש, ובלבו הגלאי החדש, יאפשרו חיפוש ברגישות העולה פי 100-10 בהשוואה לגלאים שהיו קיימים עד כה. התוצאות שהוא יספק בחמישה ימים יהיו רבות ממה שניסויים קודמים הצליחו להשיג ב-30 יום עד שנתיים.

חלל העבודה המואר של הניסוי, מיכל המים מאחוריו. צילום יח"צ
חלל העבודה המואר של הניסוי, מיכל המים מאחוריו. צילום יח"צ

בניסוי משתתפים מדענים מארצות-הברית, גרמניה, איטליה, שווייץ, שוודיה, הולנד, צרפת, פורטוגל, ישראל ואבו-דאבי. מכון ויצמן למדע מימן בעצמו את בניית מיכל המים הענק, המכיל שלושה וחצי טון מים, שבתוכו ממוקם מיכל הקסנון וגלאי קרינה המיועדים לסינון חלקיקים קוסמיים. גובה הגלאי שווה לגובהו של בניין בן שלוש קומות. הוא מותקן במנהרה מתחת להר, כדי לנטרל עד כמה שאפשר את חלקיקי הקרינה הקוסמית שעלולים "לבלבל" אותו.

ד"ר רן בודניק: "למעשה, אין לנו כיום ידע כלשהו על מהותם ועל תכונותיהם של חלקיקי החומר האפל. עם זאת, אנחנו יודעים בוודאות שהם אינם חלקיקים שכלולים ב'מודל הסטנדרטי', התיאוריה המקובלת של מבנה החומר הנראה והידוע ביקום. ישנן תיאוריות רבות המנסות לנבא את התכונות של החלקיקים הללו, והניסויים אותם אנו מפתחים מסוגלים לגלות את החלקיקים הללו, שנובעים מתוך רבות מהתיאוריות האלו".

המדענים מעריכים שחלקיקי חומר אפל עוברים דרך כל אחד מאיתנו בערך מיליוני פעמים בשנייה, אך כמעט תמיד אינם נעצרים. המדענים מקווים שהגלאי החדש יזהה פגיעה של מספר חלקיקים במשך שנה שלמה בגלאי.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

20 תגובות

  1. למי ששאל לגבי כח הכבידה והביא את הדוגמא של הכדור אל מול הגולה לגבי כח הכבידה elbentzo אני לא מבין גדול במדע אבל סתם קראתי ואני מאמין שאתה צריך לבדוק אז אם יש סדין ביקום שתופס את כל הכדורים שלך נקודה למחשבה

  2. תודה ניסים!

    מעניין לא זכור לי שלימדו אותנו על הניסוי הזה… אבל קראתי עליו קצת וראיתי סרטונים ביוטיוב, ממש מעניין.

  3. אחד
    למדנו על זה בתיכון… היזכר בניסויים של רת'רפורד שירה חלקיקי אלפא על עלה זהב. מצורת הפיזור שבתקבל הוא הסיק שלאטום יש גרעין חיובי קטן.

    כבר 400 שנה פיסיקאים יודעים שלא ניתן ללמוד הרבה רק דרך העיניים 🙂

  4. ושאלה אחרת לגבי תצפיות ישירות ועקיפות… שאלה שתמיד סקרנה אותי, איך בעצם יודעים שהאטום מורכב מגרעין שמסביבו סובבים האלקטרונים ? איזה ניסוי הוכיח שזהו המבנה המרחבי של אטום ? הרי אף אחד מעולם לא ראה אטום במו עיניו בצורה ישירה, גם לא דרך מיקרוסקופ על פי מה שידוע לי (ראו "גבשושית" עגולה שהיא האטום, אבל לא את המבנה הפנימי שלו) אז איך יודעים מה המבנה שלו דבר זעיר כל כך אם אף אחד לא ראה ?

  5. elbentzo,

    האם הפיזיקה המודרנית יודעת להסביר מה באופן ממשי גורם לכוח המשיכה ? מדוע כדור הארץ נמשך לשמש ? האם "משהו" דוחף אותו לעבר השמש ? ההסבר של "גוף מאסיבי שמעקם את המרחב סביבו" מוכר לי אבל זה נשמע לי מאד פשטני ולא מובן. יש את הדוגמה שאוהבים לתת של כדור כבד שמונח על מזרן ויוצר "שקע" ואז אם נשים לידו גולה קטנה היא תתגלגל לכיוונו, אבל מה שמצחיק בדוגמה הזו שצריך מלכתחילה את כוח המשיכה כדי שהגולה תתגלגל למטה לתוך השקע… אז אני לא בטוח שזו הדוגמה הכי טובה.

  6. יהודה
    אני חושב שלא הבנת אותי. אני חושב שהתאמת נוסחה למדידות (ורק לחלק) לא מסביר כלום. דארווין "שינה את הנוסחה" של למארק, אבל הוא נתן לשינוי הסבר. אם לא היו מגלים עד היום את הגנים, זה היה פוסל את תורת האבולוציה?

    ויהודה – מה אתה עושה עם מגוון העדויות הנוספות לחומר אפל?. אתה נשמע לי קצת כמו אדם דתי שמתאים את המציאות לדעות שלו, במקום להיפך.

  7. ב-א-מ-ת?

    כמה פעמים סיפקו לך קישורים למאמרים מדעיים שמונים את העדויות הפוזיטיביות בזכות חומר אפל? כמה פעמים סירבת לקרוא את המאמרים?

    כמה פעמים הסבירו לך שאף אחד מעולם לא שינה נתון תצפיתי, אלא ששינו רק את המודל התיאורטי לכזה שמתאים למדידות?

    כמה פעמים הסבירו לך שלחומר אפל יש אלף השלכות מעבר לסיבובים בגלקסיות ספירליות, ושהנוסחאות המתוקנות שלך לא מסבירות (ואף סותרות) את כל שאר ההשלכות (שכמובן שתיאוריית החומר האפל מסבירה באופן מדויק)?

    כמה פעמים הפנו את תשומת ליבך שאתה מסתכל על ראיות באופן סלקטיבי, ושהטיעונים שלך מבוססים על ספר לתלמידי תיכון שבהקדמה שלו כתוב שהוא לא מביא את התמונה המלאה?

    כמה פעמים הסבירו לך שאין דבר כזה "נוסחת גרביטציה" כבר מאה שנה? שהיא הוחלפה על ידי איינשטיין בתורת היחסות הכללית, ושאם אתה רוצה לשנות את מה שאתה קורא לו "נוסחת הגרביטציה" אתה צריך לשנות את כל התיאוריה (שכמובן, היא אחת התיאוריות המאומתות ביותר בהסטוריה המדעית)?

    אתה רק מוכיח את היותך שקרן…

  8. לאלבנזו- בבקשה לא לקרוא לי שקרן, כמובן שאין טעם לענות לאדון מדען אלבנזו שנידלק מהשם יהודה.
    ומעולם לא הוכיח לי מישהו שלטענותי בנוגע למסה האפלה אין בסיס.
    לפיזיקאי קטן מאוד. נהנאתי לקרוא תגובתך.
    ניסים ניסיתי לשנות את נוסחת ניוטון והשינוי היחידי הוא הליכה לפיתרון אחר שלא מתייחס לגרביטציה.

  9. פיסיקאי קטן מאד,

    אני מרגיש שאתה עושה קצת עוול לחומר אפל בהשוואות והדוגמאות שלך. למשל, כל הכשלונות של תחזיות תיאורטיות (שהוצעו לפני עדויות נסיוניות) היו כשלונות מפני שהן נסתרו באופן מלא בניסוי. למשל, בכל קורס מבוא ליחסות פרטית לומדים איך רואים בניסוי שאין אתר. חומר אפל לא רק שאינו סותר אף עדות נסיונית, אלא גם שיש לו פרדיקציות שמתאמתות. הבעיתיות שלו (ואין לזלזל בה) היא שאין לנו מידע מיקרוסקופי על החלקיקים שמרכיבים אותו.

    המשפט "לא ניתן לחזות באף תופעה שהוא גורם "ישירות"" גם הוא מטעה. יש עדויות תצפיתיות לחומר אפל (המפורסמת ביותר היא ה-bullet cluster). כמו כן, הפניה למילה "ישירות" היא בעצמה קצת מטעה, מפני שכבר הרבה שנים שבפיזיקה אנחנו לא מסתמכים רק על תופעות ישירות. למשל, אף אחד מעולם לא חזה באלקטרון. אז נכון שיש לנו יותר מידע על התכונות המיקרוסקופיות של האלקטרון מאשר על אלו של חומר אפל, אבל צריך להזהר עם הדרישה לעדויות ישירות. חוץ מזה, לא ברור בדיוק למה הכוונה ב"גורם ישירות". למשל, הוא גורם ישירות למבנים מסוימים ב-power spectrum של קרינת הרקע – יש לכך פיתוח תיאורטי והתחזית מתאמתת במדידות. האם זה ישיר או לא ישיר בעיניך?

    לבסוף, השוואת החומר האפל לצב עם פילים וכו' – רעיון דתי שלא רק שאין לו אף ביסוס מדעי אלא שהוא בעצמו אנטי-מדעי – קצת מקומם. כאמור, חומר אפל הוא עדיין מסתורי, יש עדיין מה לחקור ולגלות עליו, ועדיין קיימת סבירות שאינה 0 שנגלה הסבר אלטרנטיבי לכבידה שכלל לא כולל אותו (כשם שיתכן שנגלה מחר שתורת היחסות שגויה), אבל הוא כן רעיון מדעי, מבוסס תצפיות, מייצר פרידקציות שמתאימות לתצפיות ומסביר את כלל התופעות בתחום.

  10. טוב,

    עם יהודה הרי אין טעם לדבר, אז רק לטובת המגיבים האחרים נזכיר שהוא משקר במצח נחושה. אין טעם להקשיב לו, מפני שהוא אומר דברים שגויים (שהוכח לו שהם שגויים), אבל הוא מסרב לשנות את הפוסט הקבוע שהוא מדביק כל פעם שהוא רואה את המילים "חומר אפל". מיותר לציין שאף אחד מעולם לא שינה מדידות (כל מה ששינו זה את המודל הפיזיקלי מכזה שנסתר על ידי המדידות, לכזה שמתאים להן בדיוק ואף מייצר פרדיקציות חדשות שהתאמתו אינספור פעמים – במילים אחרות, מדע).

  11. לשנות את נוסחת ניוטון זה יפה מאוד, אבל התאוריות הקוסמולוגיות היום בנויות סביב תורת היחסות הכללית דווקא. אינשטיין וממשיכי דרכו כבר הוכיחו את נכונותם להוסיף ולהוריד אברים מהנוסחאות בהתאם לתצפיות, ואכן נוסף קבוע כדי לתאר את תרומתה של האנרגיה האפלה להתפשטות היקום. כנראה שזה לא עובד באשר למסה האפלה.

  12. יוני – עד כמה שהבנתי, אפשר למדוד "חומר אפל" רק על פי ההשפעה הגרוויטציונית שלו על חלקיקים אחרים. לא ממש הבנתי איך זה עובד בגלאי (אולי שינויים מזעריים בכיוון/מהירות של אלקטרונים שמקורם ידוע), אבל אני מניח שאם משקיעים כל כך הרבה כסף ומאמצים, יש למדענים סיבה טובה להניח שזה עובד 🙂

  13. יהודה
    נוסחה אינה הסבר פיסיקלי. אם תשנה את נוסחת ניוטון, לא הסברת כלום.

    ולהגיד "לא מצאו את החומר האפל" זה להגיד שטויות, סלח לי. לא יודעים עליו הכל, אבל יש מספיק עדויות לקיומו.

  14. ל"פיסיקאי קטן מאוד"
    האינטואיציה שלי אומרת לי כי אתה לא באמת פיסיקאי קטן מאוד
    אולי גם לא גדול מאוד אבל בהחלט פיסיקאי מקצועי ונחשב בתחומו
    נאמר ברמה של פרופסור מהאקדמיה
    אמנם כמאמר המטבע השחוק "לא גילית את תורת היחסות",
    אבל בהחלט גילית דברים חשובים ומשמעותיים
    אני אפילו מנחש, ביני לבין עצמי, מי הנך

  15. לא הבנתי מהכתבה – איך הגלאי הזה אמור לגלות את החומר האפל ????
    אם אנחנו לא יודעים עליו שום דבר – ואין לו שום אינטרקציה עם החומרים המוכרים לנו – אז למה שפה בחומר הזה זה יהיה שונה – מה יגרום להם להגיד שפגע במיכל חומר אפל ????

  16. "החומר האפל, שמהווה ככל הנראה כ-85% מכלל החומר ביקום" דומני שהחומר האפל זה רק כרבע ממסת/אנרגיית היקום. רב השאר זו האנרגיה האפלה ורק כחמישה אחוזים חומר נצפה "רגיל"!

  17. . כאשר נתוני הגרביטציה הנימדדים בשטח , לא מתאימים למה שמתקבל מנוסחת הגרביטציה של ניוטון- איינשטיין, יש לעשות דבר אחד פשוט והוא לזרוק את הנוסחה ולחפש אחרת . אין שום סיבה שבעולם, לשנות את הנתונים הנמדדים ולהוסיף להם חומר (אפל) וכשזה לא מסתדר אז גם אנרגיה אפלה העיקר שהתוצאות הנימדדות יתאימו לנוסחת הגרביטציה "הקדושה".. אין שום סיבה שבעולם שחוק שהוכח למרחקים של אלפית שנת אור (במערכת השמש) יהיה קיים גם למרחקים של מיליוני ומיליארדי שנות אור! אני יודע שזה עניין פסיכולוגי בעיקרו, קשה להיפרד מהנוסחה, הרי נולדנו עימה והסיפור של התפוח שנפל על הראש של ניוטון הוא בלתי נשכח אבל שמונים שנה מחפשים את חלקיקיי המסה האפלה-הזויה בלי הצלחה יתרה! אז צריך להחליט שמספיק לחפש. ביי ביי נוסחת הגרביטציה , היקום הנרחב במרחקים הקוסמולוגיים הגדולים פועל אחרת.
    נא להגיב בעדינות, בבקשה.

  18. סיפור החומר האפל מרתק לא רק מנקודת מבט מדעית אלא גם (ואולי במידה לא פחותה) מנקודת מבט פילוסופית. הרי מה יש לנו כאן? תיאוריות פיסיקאליות וקוסמולוגיות שמסתדרות מצוין אלה עם אלה, אך מניבות יחדיו תוצאה לא הגיונית של תנועת גרמי השמים. יש לזכור שאיננו מודדים באופן ישיר אף אחד מהנתונים של גרמי השמיים, משקלם ותנועתם, אלא מסתמכים על תיאוריות עשירות שעוזרות לנו לתרגם את מה שנראה בטלסקופים לכדי סיפור שלם. אין דרך אחרת, כל עושים מדע.
    כדי שהנתונים "יסתדרו" הוצע להוסיף "חומר אפל" בכמויות עצומות, שאופף אותנו מבלי שאיננו יכולים לחוש בו עד כה. גישות תיאורטיות כאלה, ששיערו את קיומם של חומרים ועצמים טרם גילויים, הניבו בעבר תוצאות נפלאות, כמו חיזוי קיומם של חלקיקים תת-אטומיים, שבסופו של דבר נמצאו והלמו את התיאוריה השלמה. הם גם הניבו כישלונות מפוארים, כמו האתר, אותו חומר שמימי יווני שגויס על מנת למלא את החלל ולאפשר את תנועת הגלים האלקטרומגנטיים. פרט למילה "גלי האתר" לציון שידורי רדיו לא נותר ממנו דבר; ולפניו ה"פלוגיסטון", אותו חומר שלכאורה יוצר את האש כשהוא זורם בחומר.
    היו מקרים שבהם ההשערות שהועלו הוכיחו התאמה יפה בין החיזוי התיאורטי לבין הממצאים שניתן לגלות. לעומתם, היו מקרים שבהם אי ההתאמה הובילה לדחייה כוללת של התיאוריה.
    מה יעלה בגורל התיאוריה הקוסמולוגית? האם יימצאו ממצאים שיגרמו לאמץ את השערת החומר האפל ויאפשרו לשמור על התיאוריה, או שככל שנעמיק את המחקר על החומר האפל ולא נמצא דבר התיאוריה השלמה תידחה? בינתיים ההיאחזות בתיאורית החומר האפל מרתקת. הרבה מאד פיסיקאים וקוסמולוגים מאמינים בקיומו, הוא מסדר את התיאוריות שבלעדיו היו קורסות, אך לא ניתן לחזות באף תופעה שהוא גורם "ישירות".
    אך בעתיד, על מה יבחרו המדענים לשמור – על התיאוריה היפה שלמען הגנתה מגויס חומר אפל סודי, או על ההיצמדות לממצאים שלפיהם אין כזה חומר, גם אם המשמעות היא דחיית התיאוריה?
    בינתיים החומר האפל דומה לאותו צב השוחה באוקינוס, שעליו עומדים שלושה פילים, שהחזיקו פעם את האדמה לבל תיפול. גם הצב הזה לא נמצא עד היום, ועדיין אנו חיים היטב על קרקע יציבה (שקופרניקוס לימדנו שהיא נעה במהירות עצומה בחלל).

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן