המחקר אינו מגלה כוח חדש, אלא בוחן משפחה של מודלים שבהם חלקיקי החומר האפל נמשכים זה לזה באמצעות שדה נסתר. בניגוד לצפוי, המשיכה הנוספת אינה בהכרח יוצרת יקום גושי יותר, משום שהמסה האפקטיבית של החלקיקים פוחתת עם התפשטות היקום
חומר אפל מוכר לנו בעיקר בזכות השפעת הכבידה שלו על גלקסיות, צבירי גלקסיות והמבנה רחב־ההיקף של היקום. אבל האם חלקיקי החומר האפל מפעילים זה על זה כוח נוסף, שאינו מורגש בידי החומר הרגיל?
מחקר תאורטי חדש בחן משפחה של מודלים שבהם פועל בין חלקיקי החומר האפל כוח משיכה ארוך־טווח נוסף. התוצאה מנוגדת לאינטואיציה: אף שהכוח מקרב את החלקיקים זה לזה, ברוב המקרים שבחנו החוקרים הוא אינו מאיץ את צמיחת המבנים הקוסמיים הניתנים למדידה. במקרים רבים הוא דווקא מדכא אותה.
המאמר, מאת מרקו קוסטה, סיריל קרק־סרבינובסקי, אוליבייה סימון וזקרי ויינר, פורסם ב־22 ביוני 2026 בכתב העת Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. המאמר המדעי ב־JCAP
מהו "כוח אפל"?
במודל הקוסמולוגי המקובל, למבדה־חומר אפל קר, החומר האפל אינו פולט או בולע אור ומגיב לחומר הרגיל בעיקר באמצעות כבידה. עם זאת, העובדה שטרם התגלו החלקיקים המרכיבים אותו משאירה אפשרות לקיומו של "מגזר אפל" מורכב יותר.
במגזר כזה יכולים להתקיים חלקיקים ושדות שאינם חלק מן המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. אחד השדות האפשריים הוא שדה סקלרי קל, המסוגל לתווך כוח ארוך־טווח בין חלקיקי החומר האפל. הכוח יהיה דומה לכבידה בכך שהוא מושך ופועל למרחקים גדולים, אך חומר רגיל לא בהכרח יחוש בו.
"אנו מכירים את החומר האפל עד כה רק באמצעות השפעותיו הכבידתיות", הסביר זקרי ויינר ממכון פרימטר לפיזיקה תאורטית. לדבריו, מצב זה משאיר פתוחה את האפשרות שהחומר האפל מקיים אינטראקציות נוספות, הנסתרות מן החומר הרגיל. הודעת SISSA Medialab על המחקר
מדוע לבחון כוח נוסף?
המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי מצליח לתאר מגוון רחב של תצפיות, ובהן קרינת הרקע הקוסמית, התפשטות היקום והתפלגות הגלקסיות. למרות זאת, נותרו כמה אי־התאמות בין מדידות שונות.
אחת מהן מכונה מתח S8: ניתוח קרינת הרקע הקוסמית במסגרת המודל המקובל מנבא שיעור מסוים של התקבצות חומר ביקום המאוחר, ואילו כמה סקרי עידוש כבידתי חלש מצביעים על התקבצות מעט חלשה יותר. ההבדל אינו בגדר גילוי של פיזיקה חדשה, אך הוא מעודד חוקרים לבדוק אם תכונות נוספות של חומר אפל יכולות להשפיע על התוצאה.
גם תוצאות ממכשיר DESI עוררו עניין במודלים שבהם האנרגיה האפלה משתנה עם הזמן או מתקיימת אינטראקציה כלשהי בתוך המגזר האפל. המחקר החדש בודק מגבלה בסיסית על חלק מן ההסברים האלה: אי־אפשר להניח שכוח משיכה נוסף ייצור אוטומטית יותר מבנים קוסמיים.
שני תהליכים המתחרים זה בזה
אם מוסיפים כוח משיכה בין חלקיקי החומר האפל, הציפייה הראשונית פשוטה: החלקיקים אמורים להתקבץ מהר יותר, הילות החומר האפל אמורות להתפתח ביעילות רבה יותר, והיקום אמור להיעשות גושי יותר.
זה אכן קורה ברמת ניגוד הצפיפות — ההבדל היחסי בין אזורים צפופים יותר ופחות. אלא שבמודלים המינימליים שבחנו החוקרים מתרחש במקביל תהליך נוסף.
הכוח החדש מתווך באמצעות שדה סקלרי, והצימוד לשדה גורם למסה האפקטיבית של חלקיקי החומר האפל להשתנות ככל שהיקום מתפשט. בתרחישים שנבדקו, החלקיקים נעשים קלים יותר עם הזמן, ולכן צפיפות הרקע של החומר האפל מידלדלת מהר יותר מאשר במודל הרגיל.
התוצאה הנצפית תלויה במכפלה של שני גורמים: גודל תנודות הצפיפות וצפיפות החומר הממוצעת. הכוח הנוסף אמנם מגדיל את הראשון, אך הירידה המהירה בצפיפות הרקע מקטינה את השני. במודלים הפשוטים שתי ההשפעות מבטלות זו את זו במידה רבה.
לפיכך, גם אם חלקיקי החומר האפל מתקבצים ביניהם ביתר יעילות, הם אינם יוצרים בהכרח השפעה כבידתית חזקה יותר על האור העובר ביקום. מדידות עידוש כבידתי, לדוגמה, רגישות לצפיפות הכוללת ולא רק להבדל היחסי בין אזורים צפופים ודלילים. הגרסה הפתוחה של המאמר ב־arXiv
קרינת הרקע משנה את מאזן הכוחות
החוקרים בחנו גם מה קורה כאשר מכיילים את המודלים כך שיתאימו למדידות הטמפרטורה והקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית ולמרחק אל "משטח הפיזור האחרון" — התקופה שבה נעשה היקום שקוף לאור.
כדי לשמור על ההתאמה למדידות האלה, המודלים הכוללים את הכוח האפל נזקקים לצפיפות גדולה יותר של אנרגיה אפלה. האנרגיה האפלה מאיצה את ההתפשטות ומקשה על הכבידה לחבר חומר למבנים גדולים. ההשפעה הזאת מדכאת עוד יותר את צמיחת המבנים ביקום המאוחר.
גם כאשר נושאו של הכוח — החלקיק המתווך — מקבל מסה ומתחיל להתנודד, התוצאה אינה בהכרח מתהפכת. השדה המתווך יכול להתנהג כרכיב שאינו מתקבץ ביעילות, והשפעתו הכבידתית עשויה לגבור על התוספת שיצר כוח המשיכה בין חלקיקי החומר האפל.
מה המחקר אינו מוכיח?
המחקר אינו מציג עדות לקיומו של כוח חדש ואינו מזהה חלקיק חומר אפל. הוא בוחן את התוצאות הקוסמולוגיות של משפחה מסוימת של מודלים תאורטיים.
המסקנה גם אינה שכל אינטראקציה אפשרית של חומר אפל חייבת לדכא את צמיחת המבנים. החוקרים מציינים שאפשר לבנות מודלים מורכבים יותר שבהם התוצאה תהיה שונה. עם זאת, מודל כזה יצטרך להתמודד עם השפעת הכוח הן על התקבצות החלקיקים והן על צפיפות הרקע, על התפשטות היקום ועל ההתאמה לקרינת הרקע הקוסמית.
התוצאה רלוונטית גם לחישובים קוסמולוגיים של מסת הנייטרינו ולמודלים שנועדו לפרש את תוצאות DESI. אם אינטראקציה במגזר האפל משנה את צמיחת המבנים, היא עלולה להידמות להשפעתם של נייטרינו בעלי מסה ולשנות את הגבולות שמסיקים עבורם מן התצפיות.
סקרים עתידיים של גלקסיות, עידוש כבידתי וקרינת הרקע יאפשרו לצמצם את טווח העוצמות והמרחקים האפשריים של כוחות נסתרים כאלה. לעת עתה, המחקר מספק בעיקר אזהרה תאורטית: יותר משיכה בין חלקיקי חומר אפל אינה שקולה בהכרח ליותר מבנה הניתן לצפייה.
שאלות ותשובות
האם התגלה כוח חדש הפועל על חומר אפל? לא. המחקר בוחן מודלים תאורטיים שבהם קיים כוח כזה ואת התאמת השלכותיהם לתצפיות קוסמולוגיות.
מדוע כוח משיכה נוסף אינו יוצר יותר מבנים? הוא מגביר את ניגוד הצפיפות, אך באותם מודלים הוא גם גורם לצפיפות הרקע של החומר האפל לרדת מהר יותר. שתי ההשפעות מתקזזות, ובחלק מהתרחישים מתקבל דיכוי נטו.
האם חלקיקי החומר האפל באמת מאבדים מסה? זו תוצאה של המודלים המסוימים שנבדקו, שבהם מסת החלקיק האפקטיבית תלויה בשדה הסקלרי המתווך. אין כיום ראיה תצפיתית שתהליך כזה מתרחש בטבע.
כיצד אפשר לבדוק את הרעיון? באמצעות שילוב מדידות מקרינת הרקע הקוסמית, עידוש כבידתי חלש, התפלגות גלקסיות והיסטוריית התפשטות היקום.
עוד בנושא באתר הידען
- רמז קוסמולוגי: ייתכן שחומר אפל ונייטרינו מקיימים אינטראקציה
- קוד חדש מאפשר לדמות את “החיים הנסתרים” של החומר האפל בתוך הילות גלקטיות
- המפה התלת־ממדית הגדולה ביותר של היקום הושלמה ותסייע לחקור את האנרגיה האפלה
- עצם מסתורי מאתגר את מודלי החומר האפל המקובלים
- פורסמה מפה חדשה ומדויקת של כל החומר ביקום
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
