פרופ’ סטפנו פרופו מציע יקום מראה עם שאריות דמויות־חור שחור — או יצירה כבידתית מאופקים קוסמיים — כמקורות אפשריים לחומר האפל, על בסיס פיזיקה מבוססת ובת־בחינה
שתי תאוריות חדשות מציעות שהחומר האפל נוצר או ביקום “מראה” נסתר, או מקרינת קוונטום של האופק הקוסמי בזמן היקום הקדום.
רעיון אחד מדמיין “יקום מראה” חבוי עם חלקיקים וכוחות משלו, שבו הקוסמוס בראשיתו חישל עצמים זעירים וצפופים מאוד, דמויי־חור שחור, שעשויים להרכיב את כל החומר האפל ביקום.
רעיון אחר מציע שהחומר האפל צמח מההתפשטות המהירה של היקום, ונולד מקרינה קוונטית בקצה היקום הנצפה בתקופה קצרה אך דרמטית אחרי המפץ הגדול.
שתי האפשרויות נשענות על פיזיקה מבוססת ומציעות הסברים בני־בחינה, שממשיכים את המסורת של UCSC לקשור בין החלקיקים הקטנים ביותר לבין התעלומות הקוסמיות הגדולות ביותר.
מהי הטבע החלקיקי של החומר האפל?
שני מאמרים חדשים מאת פרופ' סטפנו פרופומו מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז בוחנים אפשרויות נועזות לפתרון אחת התעלומות הגדולות בפיזיקה המודרנית: זהותו החלקיקית של החומר האפל.
עדויות רבות מראות שהישות החמקמקה הזו, המהווה כ־80% מכל החומר ביקום, אמיתית. המשיכה הכבידתית שלה מסבירה כיצד גלקסיות מחזיקות מעמד ומדוע הן מסתובבות כפי שהן. רמזים מסידור־העל של גלקסיות וממדידות מדויקות של קרינת הרקע הקוסמית מצביעים גם הם על קיומו של משהו לא־מוכר שממלא את הריק הקוסמי.
מה שהמדע עדיין אינו יודע הוא כיצד נוצר החומר האפל, או מאילו חלקיקים בדיוק הוא בנוי. אלו שאלות שמעסיקות תאורטיקנים כמו פרופומו. בעבודותיו האחרונות הוא ניגש לבעיה משני כיוונים שונים, שניהם מניחים שהחומר האפל צמח “באופן טבעי” בתנאים הקיצוניים של היקום המוקדם, ולא בהכרח כחלקיק חדש שמתקשר עם חומר רגיל בדרכים שאנו מסוגלים כיום לגלות.
מקורות מוצלים: יקום מראה
במחקר העדכני יותר מביניהם, שפורסם ב־8 ביולי ב־Physical Review D, בוחן פרופומו האם החומר האפל נוצר ב“מגזר נסתר” — למעשה יקום מראה עם גרסאות משלו של חלקיקים וכוחות. עולם הצללים הבלתי נראה הזה יציית עדיין לרבים מאותם עקרונות פיזיקליים שמושלים בקוסמוס שלנו.
הרעיון נשען על כרומודינמיקה קוונטית (QCD), המסגרת שמתארת כיצד קוורקים נקשרים בתוך פרוטונים ונייטרונים בעזרת הכוח הגרעיני החזק. ל־UCSC היסטוריה ארוכה בתחום: פרופ' אמריטוס מייקל דיין היה חלוץ במודלים תאורטיים של אקסיון ה־QCD, אחד המועמדים המובילים לחומר האפל, בעוד פרופ' למחקר אייב סיידן היה דמות מרכזית בניסויים שבדקו את מבנה ההדרונים (חלקיקים הבנויים מקוורקים) בפיזיקה של אנרגיות גבוהות.
שאריות דמויות־חור שחור כחומר אפל
בעבודתו החדשה, הכוח החזק משוכפל במגזר האפל כתורת “QCD אפלה” כולאת, עם חלקיקים משלה — קוורקים אפלים וגלואונים אפלים — שנקשרים ויוצרים חלקיקים כבדים מרוכבים הנקראים בריונים אפלים. בתנאים מסוימים בראשית היקום, בריונים אפלים אלה יכולים להפוך לצפופים וכבדים עד כדי כך שיקרסו בכבידתם לעצמים זעירים ויציבים הדומים לחורים שחורים — או מתנהגים כמוהם.
שאריות דמויות־חור שחור כאלה תהיינה כבדות פי כמה בלבד מסולם המסה היסודי של הכבידה הקוונטית — “מסה של פלנק”. אך אם ייווצרו בכמות המתאימה, הן יכולות להסביר את כל החומר האפל המוכר כיום. מכיוון שהאינטראקציה שלהן היא כבידתית בלבד, הן בלתי ניתנות לגילוי במגני־חלקיקים — אך נוכחותן מעצבת את היקום בקני־המידה הגדולים.
התסריט הזה מציע מסגרת חדשה ובת־בחינה המושתתת על פיזיקה מבוססת היטב, וממשיך את הקו ב־UCSC של שימוש בעיקרונים תאורטיים עמוקים כדי להתמודד עם אחת השאלות הפתוחות הגדולות בקוסמולוגיה.
חומר אפל מאופקי היקום
במחקר נוסף, שפורסם במאי, בודק פרופומו האם ייצור החומר האפל יכול לנבוע מה“אופק הקוסמי” המתרחב של היקום — המקבילה הקוסמולוגית לאופק האירועים של חור שחור.
המאמר שואל: אם היקום עבר פרק קצר של התפשטות מואצת אחרי האינפלציה — פחות קיצוני מאינפלציה, אך עדיין מהיר יותר ממה שמאפשרים קרינה או חומר — האם אותה פאזה יכולה “להקרין” חלקיקים אל הקיום?
באמצעות עקרונות מתורת שדות קוונטית במרחב־זמן מעוקם, המאמר מראה שטווח רחב של מסות לחומר האפל יכול להיווצר במנגנון זה, בהתאם לטמפרטורה ולמשך הפאזה. חשוב לציין, לדברי פרופומו, שהרעיון אינו דורש הנחות לגבי אינטראקציות של החומר האפל — רק שהוא יציב ונוצר כבידתית. ההשראה מגיעה מהדרך שבה צופים סמוך לאופקים קוסמיים, כמו אלה של חור שחור, “רואים” קרינה תרמית בשל אפקטים קוונטיים.
מעבר למודלים חלקיקיים מקובלים
“שני המנגנונים ספקולטיביים מאוד,” אומר פרופומו, סגן מנהל לפיזיקה תיאורטית במכון סנטה קרוז לפיזיקת חלקיקים, “אבל הם מציעים תרחישים עצמאים וברי חישוב שאינם נשענים על מודלים חלקיקיים קונבנציונליים של חומר אפל, שנמצאים תחת לחץ גובר כתוצאה מהעדר איתותים ניסיוניים.”
אפשר לומר שפרופומו “כתב את הספר” על החיפוש אחרי טבעו של החומר האפל. ספר הלימוד שלו מ־2017, An Introduction to Particle Dark Matter, מציג שיטות עדכניות שפיתחו חוקרים לבניית מודלים לחומר אפל ולבחינתם בניסויים, בתצפיות קוסמולוגיות ובתופעות אסטרופיזיות באנרגיות גבוהות.
הספר מתאר את “פרדיגמת החומר האפל” כאחת ההתפתחויות המרכזיות בממשק בין קוסמולוגיה לפיזיקת חלקיקים, ומיועד לכל מי שמתעניין בטבע המיקרוסקופי של החומר האפל כפי שהוא מתבטא בניסויי חלקיקים, בתצפיות קוסמולוגיות ובאסטרופיזיקה עתירת־אנרגיה ביקום המוקדם.
פרופומו אומר שהפרסומים האחרונים ממשיכים מסורת זו, ובוחנים רעיונות המחברים בין השאלות העמוקות בפיזיקת חלקיקים לבין ההתנהגות בקני־מידה קוסמיים. “והם עושים זאת תוך הישענות על פיזיקה מוכרת — מתורת שדה קוונטית במרחב־זמן מעוקם ועד התכונות המוכרות של תורות כיול SU(N) — ובהרחבתן לאופקים חדשים,” הוא אמר.
שתי העבודות הופיעו ב־Physical Review D, כתב־העת המוביל של האגודה האמריקנית לפיזיקת חלקיקים תאורטית.
הפניות:
“Dark baryon black holes” מאת Stefano Profumo, 9 במאי 2025, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.111.095010
“Dark matter from quasi–de Sitter horizons” מאת Stefano Profumo, 8 ביולי 2025, Physical Review D.
DOI: 10.1103/vmw2-4k77
עוד בנושא באתר הידען:
