שילוב תצפיות בקרינת הרקע הקוסמית ובאפקט העידוש הכבידתי החלש מצא העדפה של כמעט שלוש סטיות תקן למודל שבו מועבר תנע בין חומר אפל לנייטרינו. האינטראקציה עשויה להסביר מדוע החומר ביקום המודרני מקובץ מעט פחות מהצפוי — אך עדיין אין מדובר בגילוי
כל מה שאפשר לראות ישירות — כוכבים, כוכבי לכת, גז, אבק וגלקסיות — מייצג רק חלק מן החומר והאנרגיה ביקום. מרבית החומר היא חומר אפל, שאינו פולט או בולע אור וזהותו המיקרוסקופית עדיין אינה ידועה. כעת מציע מחקר קוסמולוגי כי החומר האפל אולי אינו מנותק לחלוטין מן החלקיקים המוכרים: ייתכן שהוא מקיים אינטראקציה חלשה עם נייטרינו.
החוקרים שילבו מדידות של קרינת הרקע הקוסמית מן היקום הקדום עם תצפיות בעידוש כבידתי חלש מן היקום המאוחר. בניתוח המשולב התקבלה העדפה של כמעט שלוש סטיות תקן לאינטראקציה שאינה אפס בין חומר אפל לנייטרינו. אינטראקציה כזאת יכולה לדכא במידה מסוימת את צמיחתם של מבנים קוסמיים ולסייע ביישוב אי־התאמה המכונה מתח S8.
עם זאת, שלוש סטיות תקן אינן נחשבות לגילוי בפיזיקה. התוצאה היא רמז סטטיסטי מעניין, התלוי בשילוב מסוים של מאגרי נתונים ובהנחות שהוכנסו למודל. גם מחברי המאמר מדגישים כי הנתונים עדיין אינם מספיקים כדי לשלול את המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי.
שני מרכיבים מסתוריים של היקום
החומר האפל מהווה כ־85% מכלל החומר ביקום. הוא לא התגלה ישירות במעבדה, אך קיומו מוסק מהשפעת הכבידה שלו על תנועת כוכבים וגלקסיות, על צבירי גלקסיות ועל האופן שבו מבנים גדולים נוצרו במהלך ההיסטוריה הקוסמית.
נייטרינו, לעומת זאת, הם חלקיקים מוכרים שנמדדו בגלאים, אך הם קלים מאוד ומקיימים אינטראקציות חלשות ביותר עם חומר רגיל. הם נוצרים בין השאר בתגובות גרעיניות בשמש, בהתפוצצויות כוכבים ובמאיצי חלקיקים.
בגרסה הרגילה של המודל הקוסמולוגי ΛCDM — למדא־חומר אפל קר — החומר האפל והנייטרינו משפיעים זה על זה בעיקר באמצעות הכבידה. המחקר החדש בחן הרחבה של המודל שבה מתרחש ביניהם גם פיזור ישיר חלש, המאפשר העברת תנע.
מהו מתח S8?
הפרמטר S8 מתאר את מידת ההתקבצות של החומר ביקום. הוא משלב את צפיפות החומר הכוללת עם עוצמת התנודות בצפיפות החומר בקנה מידה קוסמולוגי.
מדידות קרינת הרקע הקוסמית בידי מצפה החלל פלאנק מאפשרות לחשב כיצד אמורים מבנים ביקום לצמוח במשך מיליארדי שנים. כאשר משווים את התחזית הזאת למדידות מן היקום המאוחר באמצעות עידוש כבידתי חלש, חלק מן הסקרים מוצאים שהחומר כיום מקובץ מעט פחות מהצפוי.
פער זה מכונה מתח S8. בדרך כלל מדובר באי־התאמה של כשתי עד שלוש סטיות תקן: די כדי לעורר עניין, אך לא מספיק כדי לקבוע שהמודל הקוסמולוגי שגוי. ייתכן שמקורו בפיזיקה חדשה, אך הוא עלול גם לנבוע מהבדלים בין מערכי הנתונים או מקשיים שיטתיים במדידות. ([דוי][2])
“מדידות של היקום הקדום מנבאות שמבנים קוסמיים היו צריכים לצמוח במידה רבה יותר מכפי שאנו רואים כיום”, אמרה ד"ר אלאונורה די ולנטינו מאוניברסיטת שפילד, ממחברות המחקר. לדבריה, האינטראקציה האפשרית בין חומר אפל לנייטרינו יכולה להפחית את מידת ההתקבצות ולקרב בין התוצאות מן היקום הקדום והמאוחר. ([Sheffield University][3])
שילוב תצפיות מתקופות שונות
לצורך הניתוח השתמשו החוקרים בנתוני קרינת הרקע הקוסמית ממצפה החלל פלאנק ומטלסקופ הקוסמולוגיה אטקמה, ACT. פלאנק סיפק בעיקר מידע בקני מידה זוויתיים גדולים, ואילו ACT מדד בדיוק רב תנודות קטנות יותר בקרינת הרקע. ([דוי][2])
החוקרים שילבו את המדידות עם נתוני תנודות אקוסטיות באריוניות מסקר BOSS, שהוא חלק מסקר השמים הדיגיטלי סלואן, ועם מדידות עידוש כבידתי חלש משלוש שנות הפעילות הראשונות של סקר האנרגיה האפלה, DES. מצלמת הסקר מותקנת בטלסקופ ויקטור בלנקו בצ'ילה.
יהן הנצפות של גלקסיות רחוקות, הנגרם מכבידת החומר המצוי ביניהן לבין כדור הארץ. באמצעות מדידת העיוותים של מיליוני גלקסיות אפשר למפות את פיזור המסה, לרבות חומר שאינו פולט אור.
נתוני DES לבדם הראו רק העדפה חלשה מאוד לאינטראקציה, בשיעור הנמוך מסטיית תקן אחת. אולם כאשר שולבו עם נתוני פלאנק, ACT ו־BOSS, ההעדפה התחזקה לכמעט שלוש סטיות תקן. עוצמת האינטראקציה המועדפת במודל סומנה בפרמטר חסר ממדים שערכו כ־10 בחזקת מינוס ארבע.
כיצד האינטראקציה משנה את היקום?
ביקום הצעיר התקיימו נייטרינו במספרים עצומים ונעו במהירויות גבוהות. אם הם התנגשו בחלקיקי חומר אפל, אפילו לעיתים רחוקות, הם יכלו להעביר להם תנע ולמנוע מחלק מן התנודות הקטנות בצפיפות החומר לצמוח.
התהליך עשוי ליצור מעין תנודות אקוסטיות אפלות ולדכא את ספקטרום ההספק של החומר בקני מידה קטנים. פירוש הדבר הוא שפחות מבנים צפופים היו נוצרים בהמשך, ולכן היקום המודרני היה נראה מעט פחות מקובץ מכפי שמנבא מודל שבו החומר האפל אינו מקיים אינטראקציה כזאת.
החוקרים נעזרו גם בהדמיות רבות־גופים כדי לתאר את התפתחות המבנים בשלב הלא־ליניארי, שבו אזורים צפופים קורסים בהשפעת הכבידה ויוצרים גלקסיות וצבירים. לצורך ניתוח נתוני DES הם השתמשו במודל שאומן על 200 הדמיות בעלות תנאי התחלה שהותאמו לאינטראקציה האפשרית.
הנחות ומגבלות
המודל שנבדק אינו תיאור מלא של חלקיק מסוים או של כוח חדש מוגדר. החוקרים הניחו שכל החומר האפל משתתף באינטראקציה, שהנייטרינו חסרי מסה ושחתך הפעולה אינו תלוי בטמפרטורה. אלו הנחות מפשטות המאפשרות לבחון את ההשפעה הקוסמולוגית, אך אינן חייבות לתאר את הפיזיקה האמיתית.
המחברים מציינים גם כי אינטראקציה קבועה בעוצמה המועדפת עלולה להיתקל במגבלות ממדידות אחרות, ובהן יער לימן־אלפא, מספרן של גלקסיות ננסיות ופונקציית הבהירות של גלקסיות. מדידות אלה עצמן מושפעות מתהליכים אסטרופיזיים מורכבים, כגון השפעת כוכבים וחורים שחורים על הגז, ולכן קשה להסיק מהן מסקנה חד־משמעית.
בנוסף, לאחר הגשת המאמר דיווח סקר KiDS-Legacy על ערך גבוה יותר של S8, המתאים היטב לתחזית פלאנק במסגרת ΛCDM. הנתונים המלאים לא היו זמינים לחוקרים בזמן השלמת המחקר, ולכן הם לא יכלו לבדוק כיצד ישפיעו על התוצאה.
יש גם הסברים חלופיים לדיכוי צמיחת המבנים: אינטראקציה של חומר אפל עם חומר רגיל, פוטונים או קרינה אפלה, וכן מודלים של חומר אפל חם או חומר אפל קל במיוחד. לכן גם אם מתח S8 יתברר כאמיתי, הוא לא יוכיח לבדו שהחומר האפל מקיים אינטראקציה דווקא עם נייטרינו.
הסקרים הבאים יכריעו
תצפיות מדויקות יותר צפויות לבדוק את הרמז בשנים הקרובות. החוקרים מעריכים שסקרי העידוש החלש של מצפה ורה רובין ושל טלסקופ תחנת החלל הסינית יוכלו לבחון את תחום האינטראקציה המועדף ברגישות גבוהה בהרבה.
אם אותו אות יופיע באופן עקבי במאגרי נתונים עצמאיים, הוא עשוי לספק לפיזיקאים כיוון חדש בחיפוש אחר זהות החומר האפל. אם לא יימצא, הסקרים יציבו גבולות מחמירים יותר על האפשרות שחומר אפל ונייטרינו מתקשרים ביניהם. ([Sheffield University][3])
“אם האינטראקציה תאושר, זו תהיה פריצת דרך יסודית”, אמר ד"ר ויליאם גיארה, ממחברי המחקר. לדבריו, התוצאה תוכל לא רק להסביר את אי־ההתאמה בין תצפיות קוסמולוגיות, אלא גם להנחות ניסויי מעבדה אילו תכונות לחפש בחלקיקי החומר האפל. ([Sheffield University][3])
המאמר המקורי: A solution to the S8 tension through neutrino–dark matter interactions, מאת ליי דזו ועמיתיו, Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-025-02733-1.
שאלות ותשובות
האם המחקר גילה שחומר אפל ונייטרינו מתקשרים ביניהם? לא. התקבלה העדפה סטטיסטית של כמעט שלוש סטיות תקן למודל הכולל אינטראקציה. זהו רמז שמחייב בדיקה נוספת, ולא גילוי.
מהו מתח S8? זהו פער מתון בין מידת התקבצות החומר המוסקת ממדידות היקום הקדום לבין חלק מן המדידות הישירות של פיזור החומר ביקום המאוחר.
כיצד אינטראקציה עם נייטרינו תשפיע על החומר האפל? פיזור בין החלקיקים עשוי להעביר תנע, לדכא תנודות קטנות בצפיפות החומר ולהאט את צמיחתם של מבנים קוסמיים מסוימים.
מה יוכל לאשר או להפריך את ההשערה? סקרי עידוש כבידתי חלש מדויקים יותר, מדידות חדשות של קרינת הרקע הקוסמית ותצפיות עצמאיות על המבנה בקנה מידה גדול.
עוד בנושא באתר הידען
- גלקסיה קדומה נתפסה כשהסביבה גוזלת ממנה את חומר הגלם ליצירת כוכבים
- האם הזוהר המסתורי במרכז שביל החלב נובע בכל זאת מחומר אפל?
- טלסקופ החלל אוקלידס גילה את הקוואזרים הקדומים ביותר שנצפו עד כה
- מאיץ ההדרונים הגדול מושבת לארבע שנים בדרך לעידן חדש
- גלקסיית "מפציצת הצללים" עשויה להסביר חלק ממקורם של הנייטרינו הקוסמיים
