החומר האפל”, הנוכח-הנעדר הגדול של היקום, מטריד את מנוחת האסטרונומים.

שני מאמרים של אבישי גל-ים הבוחנים את שאלת קיומו של החומר האפל

חושך בעיניים – סוד החומר האפל

אחת השאלות המעניינות ביותר שמעסיקות את האסטרונומים בשנים האחרונות היא שאלת “החומר האפל”. בשם זה מכנים החוקרים חומר שהם מזהים לפי השפעת כוח הכבידה שהוא מפעיל על גופים אחרים, אך לא ניתן לראותו כיוון שהוא אינו פולט אור.

אחד מנושאי המחקר הראשונים שהעלו על סדר היום האסטרונומי את קיומו של חומר אפל היה בדיקת מהירויות הסיבוב של כוכבים סביב מרכזי גלקסיות. מרבית הכוכבים ביקום נמצאים בתוך גלקסיות – קיבוצים עצומים של מיליארדי כוכבים הסובבים סביב מרכז משותף. תורת הכבידה העולמית של ניוטון קובעת כי מהירות הסיבוב של כוכבים סביב מרכז הגלקסיה תלויה במרחקם ממרכז הגלקסיה ובמסה של הגלקסיה. כאשר בדקו החוקרים את מהירויות הסיבוב של כוכבים וענני גז הרחוקים ממרכזי גלקסיות המכונות “חלזוניות” (בשל צורתן), נמצא כי מהירות הסיבוב שנמדדה גדולה בהרבה מכפי שציפו. מכאן הסיקו החוקרים שמסת הגלקסיה גבוהה בהרבה מכפי שהעריכו על סמך האור המגיע מן הכוכבים – כלומר, שהיא מכילה חומר נוסף שאינו נראה לעין: “חומר אפל”.

בנוסף לחומר האפל בגלקסיות חלזוניות, נמצאו עדויות לקיומו של חומר כזה גם בגלקסיות מסוגים אחרים ובצבירי גלקסיות: קיבוצים של אלפי גלקסיות הסובבות סביב מרכז משותף. למעשה, לדעת רוב האסטרונומים הרוב הגדול של החומר ביקום הוא אפל. השאלה המתבקשת היא, אם כן, מהו אותו חומר אפל.

לשאלה זו יש כיום שתי תשובות מקובלות. תשובה אחת היא שהחומר האפל מורכב מחלקיקים שונים מאלה שמהם מורכב החומר המוכר לנו מחיי היום יום (פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים). הטענה היא כי לחלקיקים אלה אין מטען חשמלי ושהכוח האלקטרו-מגנטי אינו חל עליהם. מכך נגזר כי הם אינם יכולים לפלוט קרינה אלקטרו-מגנטית כלשהי: לא אור, לא גלי רדיו, לא קרינת רנטגן. מאחר שמכשירי התצפית הקיימים כיום קולטים קרינה אלקטרו-מגנטית, חומר כזה יהיה לגבינו “אפל”.

חלקיקים כאלה אינם מוכרים מניסויים, אך תיאורטית ייתכן שהם אכן קיימים. קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם עוסקות בבניית מתקני ניסוי שמטרתם לגלות את החלקיקים המיסתוריים. בניסויים צופים המדענים בכמויות גדולות של מים או קרח הנתונים בתנאים מבוקרים, ועוקבים אחרי נצנוצי אור זעירים שאמורים להיפלט כאשר חלקיק של החומר האפל פוגע במולקולה של מים או קרח. בניסוי של מדענים hפאנים, שנקרא “סופר קמיוקנדה”, צופים המדענים במכלים עם מיליוני ליטרים של מים. המכלים נמצאים בתוך מכרה תת קרקעי, וזאת על מנת למנוע מקרניים קוסמיות “רגילות” לפגוע במים ולגרום לנצנוצים דומים. קבוצה אחרת של מדענים עורכת ניסוי דומה בכיפת הקרח שמעל הקוטב הדרומי. במקרה זה, גלאים רגישים לאור מוטמנים עמוק בתוך הקרח.

התשובה השנייה לשאלה “מהו החומר האפל” היא שמדובר בחומר “רגיל”, שרובו גז מימן, הכלוא בתוך כוכבים קרים וקטנים (יחסית לשמש) המכונים “ננסים חומים”. הננסים החומים אינם פולטים אור, ועל כן אי אפשר להבחין בהם ממרחק. במובן זה, החומר ה”רגיל” נהפך לחומר אפל.

בתצפיות באזור הקרוב לשמש התגלו באחרונה כמה ננסים חומים, אולם המדענים לא הצליחו לקבוע עד כמה הם שכיחים באזורים אחרים של היקום ואם מספרם גדול דיו כדי להסביר את כל החומר האפל שנמדד בגלקסיות. על מנת לענות על שאלה זו החלה לפני כמה שנים קבוצת מדענים בינלאומית בפרויקט מחקרי המכונה .MACHO מכיוון שאי אפשר לצפות בננסים החומים ישירות, הציעו החוקרים לאתרם באמצעות השפעתם על האור המגיע מכוכבים רחוקים. תורת היחסות הכללית מלמדת כי גופים כבדים מעקמים את המרחב ולכן מסיטים את מסלולן של קרני האור המתפשטות במרחב. השפעה זו דומה להשפעתה של עדשה אופטית – זכוכית מגדלת, למשל – המשנה את מסלול קרני האור על ידי שבירתן. בשל כך מכונה ההשפעה של גופים כבדים על קרני האור “עידוש כבידתי” (Gravitational Lensing). כשם שזכוכית מגדלת מרכזת את האור העובר דרכה ומגבירה את עוצמתו, ננסים חומים שחולפים בינינו לבין כוכבים רחוקים נהפכים ל”עדשות כבידה” ומגבירים את עוצמתם של הכוכבים הרחוקים למשך זמן מסוים. האסטרונומים החלו לעקוב מדי לילה אחרי מיליוני כוכבים, בעזרתו של טלסקופ מיוחד שהוקדש לצורך זה באוסטרליה. בכל לילה נמדדה עוצמת ההארה של כל כוכב וכוכב והושוותה לעוצמתם בלילות הקודמים. ההנחה של החוקרים היתה שמעבר של ננס חום בלתי נראה בינינו לבין אחד הכוכבים תגביר את עוצמת ההארה של הכוכב. מידת ההגברה וזמן האירוע, הם קיוו, יאפשרו להעריך את המסה והמיקום של אותה “עדשת כבידה” בלתי נראית. בימים אלה, לאחר כשש שנות פעילות אינטנסיווית, הודיעו ראשי פרויקט MACHO על סיומו. MACHO הניב מידע אסטרונומי רב ומעניין – המדענים גילו מאות אירועים של עידוש כבידתי בגלקסיה שלנו – והוכיח כי אפשר להשתמש בשיטה זו כדי לחפש ננסים חומים. מה שהפרויקט לא הצליח לעשות הוא לענות בצורה חד-משמעית על השאלה היסודית: ממה מורכב החומר האפל. חוקרים רבים ברחבי העולם ממשיכים לנסות ולפצח את התעלומה המטרידה הזאת.

פרופ' מרדכי מילגרום כופר בקיומו של החומר האפל ומציע לעדכן את תורת הכבידה של ניוטון. כתבה שנייה

אבישי גל-ים

בכתבה “חושך בעיניים (1)” תוארו חיפושיהם של האסטרופיסיקאים אחרי “החומר האפל”. בשם זה מכנים החוקרים חומר שהם מזהים לפי השפעת כוח הכבידה שהוא מפעיל על גופים אחרים, אך אי אפשר לראותו מכיוון שהוא אינו פולט אור. קיומו של החומר האפל הוא השערה: מקורה בפער הבלתי ניתן לגישור בין מסתן של גלקסיות, כפי שהיא מוערכת על סמך האור המגיע מהן, לבין אותה מסה, כפי שהיא מחושבת על פי מהירויות הסיבוב של הכוכבים הנעים סביב אותן גלקסיות. מסת החומר הנראה בגלקסיות קטנה מכדי להסביר את מהירויות הסיבוב של הכוכבים, ועל מנת להשיג התאמה בין המדידות לבין התחזיות התיאורטיות נאלצו המדענים להניח את קיומו של “חומר אפל”, שמגדיל את מסת הגלקסיות אך אינו פולט כל אור. לדעת רוב האסטרופיסיקאים, רוב החומר ביקום הוא אפל.

שתי השערות מרכזיות קיימות בנוגע למהותו של החומר האפל: לפי אחת מהן, החומר האפל מורכב מחלקיקים שונים מאלה שמהם מורכב החומר המוכר לנו; אין להם מטען חשמלי והכוח האלקטרו-מגנטי אינו חל עליהם.

ההשערה השנייה היא שהחומר האפל הוא למעשה חומר “רגיל”, שרובו גז מימן, הכלוא בתוך כוכבים המכונים “ננסים חומים”. הננסים החומים אינם פולטים אור, ועל כן אי אפשר להבחין בהם ממרחק. חוקרים רבים מנסים בשנים האחרונות לאתר את הננסים חומים. הם גילו מאות אירועים שבהם ננסים חומים הגבירו את עוצמתם של כוכבים, אך לא הצליחו לענות על השאלה ממה מורכב החומר האפל.

פרופ' מרדכי מילגרום ממכון ויצמן העלה בראשית שנות ה-80 הצעה אחרת לפתרון סוגיית החומר האפל. הסיבה לכך שהאסטרופיסיקאים מניחים כי קיים חומר אפל היא, כאמור, חוסר ההתאמה בין התצפיות לבין תחזיות תורת הכבידה של ניוטון. אולי, הציע פרופ' מילגרום, הפתרון אינו בחיפוש אחר סוג חדש ובלתי נראה של חומר, אלא בשינוי תורת הכבידה.

תורת הכבידה של ניוטון מתארת בדיוק רב את התנהגותם של גופים על פני כדור הארץ ואת מסלוליהם של מרבית כוכבי הלכת במערכת השמש.

על גופים הנעים קרוב מאוד לגופים כבדים ביותר, כמו כוכב הלכת מרקורי (כוכב חמה) הנע קרוב מאוד לשמש, פועל כוח כבידה חזק מאוד. במקרים כאלה, תורת הכבידה של ניוטון אינה מדויקת לחלוטין. על מנת לתאר את תנועתם של גופים הנעים תחת השפעתו של כוח כבידה חזק, יש להסתייע בתורת היחסות הכללית של איינשטיין. למעשה, החישוב המדויק של מסלולו של כוכב הלכת מרקורי סביב השמש היה אחד מהישגיה הראשונים של תורת היחסות הכללית.

אולם, כאשר דנים בגופים הנעים בהשפעתו של כוח כבידה חלש – למשל, כוכבים הנעים במסלולים מרוחקים ממרכזי גלקסיות – תחזיות תורת היחסות הכללית זהות לאלה של תורת ניוטון. ייתכן, אומר פרופ' מילגרום, שתורת הכבידה המתאימה למקרים אלה שונה מתורתו של ניוטון, כך שכוח הכבידה שמופעל על גופים הוא חלש יותר. במקרה כזה, אין צורך בחומר אפל כלל.

בראשית שנות השמונים הציע פרופ' מילגרום תורת כבידה חדשה –
Newtonian Dynamics Modified) MOND). העיקרון המרכזי של התורה קובע כי גופים הנעים תחת השפעת כוח כבידה החלש מסף מסוים, מתנהגים בצורה שונה מזו הצפויה לפי תורת ניוטון. חישובים לפי עקרונות התורה החדשה מסבירים את מסלולי הכוכבים וענני הגז בגלקסיות על סמך החומר הנראה בלבד, ללא צורך בהוספת חומר אפל. קבוצות של מדענים – בין השאר מישראל, ארה”ב והולנד – הראו בשנים האחרונות שאפשר להסביר לפי עקרונות התורה החדשה את הדינמיקה של סוגים שונים של גלקסיות וכן של צבירי גלקסיות – קבוצות של מאות גלקסיות הסובבות סביב מרכז משותף בחלל. מאז פרסומה לא הועלו טיעונים המוכיחים חד משמעית שתורת MOND אינה נכונה. אף על פי כן, מרבית האסטרופיסיקאים בארץ ובעולם מעדיפים להסביר את היקום באמצעות תורת ניוטון, תוך שהם מניחים שמרבית החומר ביקום אינו נראה לעין.

נראה כי החולשה העיקרית של תורת – MOND חולשה שהופכת אותה לבלתי מקובלת על רוב האסטרופיסיקאים – היא העובדה שהיא איננה נגזרת מתורה המקבילה לתורת היחסות הכללית של איינשטיין. איינשטיין פיתח את תורת היחסות הכללית על פי עקרונות יסוד פיסיקליים ומתמטיים; רק לאחר ניסוחה היא נבדקה באופן ניסיוני ונמצאה נכונה. ,MOND לעומת זאת, פותחה על מנת להסביר סוג מסוים של תצפיות, והיא אינה נגזרת מעקרונות היסוד הפיסיקליים והמתמטיים שמהם נגזרת תורת היחסות הכללית. כמו כן, אם תורת MOND נכונה, יש צורך לשנות את תורת היחסות הכללית ולנסח במקומה תורה כללית אחרת, שממנה תיגזר MOND כפי שתורת ניוטון נגזרת מתורת היחסות הכללית.

נראה שמרבית החוקרים מעדיפים כרגע לשמור על תורת הכבידה של ניוטון ולחפש אחרי “החומר האפל”. פרופ' מילגרום ומדענים אחרים ממשיכים לבדוק אם ,MOND או תורות אחרות שדומות לה, אינן מתארות טוב יותר את היקום.

{הופיע בעיתון הארץ, 25/1/2000{
אתר הידען היה באותה תתקופה חלק מפורטל IOL מקבוצת הארץ