האם טעינו לגבי החומר האפל? גלקסיות ננסיות מציעות רמזים מפתיעים

ביקום יש משהו שמושך את החומר הנראה, מעצב גלקסיות ומייצב צבירים – אך איננו רואים אותו. זהו החומר האפל, שעד כה נחשב כבעל תכונה אחת בלבד: מסה, וכוח משיכה. אבל ייתכן שכל ההנחה הזו מתערערת עכשיו. מחקר חדש שפורסם ב-Nature חושף תופעה מפתיעה הקשורה לגלקסיות ננסיות – תופעה שלא מתיישבת עם התחזיות של המודל הסטנדרטי של החומר האפל הקר (CDM).

גלקסיות ננסיות הן מערכות כוכבים קטנות, בעלות בהירות נמוכה, שמוקפות – כמו כל הגלקסיות – בהילות של חומר אפל. לפי מודלים קיימים, ככל שההילה מאסיבית יותר, כך היא נוטה להתקבץ באזורי צפיפות גבוהה יותר ביקום – תופעה המכונה הטיית מסה. קיימת גם הטיית הרכבה (assembly bias) – הבדל בדפוס ההתקבצות בין הילות שנוצרו מוקדם ("זקנות") לאלו שנוצרו מאוחר יותר ("צעירות"), גם אם הן באותה מסה.

עד כה, ההטיות האלו נמדדו בעיקר בגלקסיות גדולות. אך פרופ’ חוייואן ואנג ועמיתיו מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין גילו משהו שונה: בגלקסיות הננסיות הדלילות – שבהן הכוכבים מרוחקים יחסית זה מזה – דפוס ההתקבצות חזק יותר מאשר בגלקסיות ננסיות קומפקטיות. כלומר, בניגוד לציפייה, הגלקסיות ה"מרושלות" הן דווקא אלה שנוטות להתקבץ יחד, ולא אלו שהמבנה שלהן מהודק וצפוף.

באמצעות סימולציית היקום ELUCID, שנבנתה על בסיס שדה הצפיפות הראשוני של היקום, החוקרים הצליחו להראות שהגלקסיות הדלילות ממוקמות בתוך הילות חומר אפל שנוצרו בשלב מוקדם מאוד בקוסמוס – בעוד שהקומפקטיות קשורות להילות צעירות יותר. זו הפעם הראשונה שתצפית גלקסית מספקת הוכחה חותכת להטיית הרכבה, תופעה שנחזה עד כה רק בסימולציות.

אולם כאן מגיע הקושי: מודלי CDM הרגילים אינם מסבירים כיצד הילה "זקנה", שכבר עברה מיליארדי שנים של התכווצות תחת כוח הכבידה, תוכל להכיל גלקסיה דלילה. על פניו, היינו מצפים שמרכזה יהיה דווקא צפוף יותר. כדי ליישב את הסתירה, החוקרים מציעים להשתמש במודל חדש – חומר אפל אינטראקטיבי (SIDM).

במודל SIDM, חלקיקי החומר האפל לא רק נמשכים זה לזה בכוח כבידה – אלא גם מבצעים אינטראקציות חלשות זו עם זו, כמו פיזור או התנגשויות עדינות. אינטראקציות אלה יוצרות "חימום פנימי" בהילה, שגורם לפיזור מסוים של החומר ולחולשה יחסית בכבידה המרכזית שלה. המשמעות: סביבת היווצרות פחות צפופה – דבר שיכול להסביר את היווצרות הגלקסיות הדלילות דווקא בתוך הילות זקנות.

במילים אחרות, החומר האפל אולי איננו שקט ופסיבי כפי שחשבו – אלא דינמי ומגיב, בעל תכונות מורכבות יותר מהמוכר לנו כיום. המחקר מציע, אפוא, פריצת דרך כפולה: גם בהבנה של מבנה היקום בקנה מידה גדול, וגם באופי הפנימי של אחת מהחידות הגדולות של הפיזיקה.

הביקורות על המאמר במגזין Nature היו נלהבות. "זהו ממצא מקורי ומפתיע – ולכן גם בעל חשיבות רבה", כתבו הסוקרים. "האפשרות לבחון תכונות של חומר אפל אינטראקטיבי דרך התקבצות גלקסיות פותחת כיוונים חדשים שעשויים להשפיע לאורך זמן".

החוקרים מסכמים כי קשר ישיר בין גיל ההילה למבנה הגלקסיה מהווה פרמטר חשוב חדש – שיש לקחת בחשבון בעת בניית מודלים של היווצרות גלקסיות, התפשטות היקום, והבנת החומר האפל עצמו. ולמרות שמדובר בגלקסיות קטנות, ההשלכות עשויות להיות קוסמיות.