חידת החומר האפל

בעשורים האחרונים התברר כי קרוב לוודאי למעלה מ- 90 אחוזים ממסת היקום היא אפלה. כלומר בלתי נראית לעין ולכן אינה ניתנת לגילוי ישיר. כיצד אפשר לגלות מסה בלתי נראית לעין וממה היא מורכבת? וכיצד משפיע גילוי המסה האפלה על הבנת מבנה היקום והתפתחותו?

המחבר: חיים שמואלי
מתוך: גלילאו 21, מארס/אפריל 1997

בעשורים האחרונים התברר כי קרוב לוודאי למעלה מ- 90 אחוזים ממסת היקום היא אפלה. כלומר בלתי נראית לעין ולכן אינה ניתנת לגילוי ישיר. כיצד אפשר לגלות מסה בלתי נראית לעין וממה היא מורכבת? וכיצד משפיע גילוי המסה האפלה על הבנת מבנה היקום והתפתחותו?

בתחילת המאה ה-20 קפצה האסטרופיזיקה קפיצה נחשונית קדימה בהבנת תמונתהיקום: התברר כי שביל החלב אינו אלא גלקסיה אחת מתוך מיליארדים רבים, ודבר זה המחיש עד כמה היקום גדול ביחס למה שחשבו בעבר; הגילוי של ההסחה לאדום של האור המגיע מן הגלקסיות על ידי אדווין האבל (Hubble), ב-1929, הוביל להבנה כי היקום מתפשט והתברר כי הייתה לו ראשית, נקודת בריאה הנקראת “המפץ הגדול”. וכך לפני כמה עשורים נדמה היה לאסטרונומים ולאסטרופיזיקאים כי מבנה היקום פוענח כמעט בשלמותו, וכי התפתחותו מתוארת באופן מדויק ב”תאוריית המפץ הגדול”. נראה היה כי שכלול אמצעי התצפית והרחבתם לתחומי קרינה נוספים על התחום הנראה, כגון קרינת רדיו או קרינת X, די היה בה כדי למפות את הייקום בשלמותו. אולם כבר באותו זמן נוצרו סימני שאלה סביב אותו תיאור שלם וסגור כביכול. ב-1933 הבחין האסטרופיזיקאי פריץ צוויקי (Zwicky) כי הגלקסיות השייכות לצביר הגלקסיות קומה (Coma)נעות במהירויות גדולות מהצפוי. כאשר הוא העריך את מסות הגלקסיות על פי עוצמת האור הנפלט מהן, התברר לו כי כבידתן קטנה מכדי לחולל תנועה כה מהירה. הוא הסיק כי מצויה בגלקסיות מסה נוספת שאינו יכול להבחין בה.

מה שצוויקי עשה היה בעצם “שקילת” צבירי גלקסיות בשתי דרכים שונות ובלתי תלויות. דרך אחת היא להעריך באופן ישיר, מתוך תצפיות, את מספר הכוכבים בגלקסיה, על ידי מדידת עוצמת האור המתקבל מן הגלקסיה וידיעת עוצמת האור של הכוכבים בה. מידיעת המסה האופיינית לכל כוכב מחשבים את המסה הכוללת של הגלקסיה, או של צביר גלקסיות. שיטה אחרת, בלתי ישירה, מתבססת על מדידת המהירות הזוויתית של אזורים שונים בגלקסיה, או של גלקסיות שלמות בתוך צביר גלקסיות. חוק פיזיקלי ידוע, המשפט הוויריאלי, מאפשר לחשב את המסה הכוללת של מערכת פיזיקלית הנמצאת בשיווי משקל מתוך ידיעת המהירות האופיינית של עצמים בתוכה. לחוקרים התברר כי בגלקסיות שונות, המהירויות הממוצעות של אזוריהן השונים גדולות בהרבה מהצפוי על פי המסה הנראית של הגלקסיות. כיצד ניתן ליישב את הסתירה? ההסבר ההגיוני ביותר היה להניח כי הגלקסיות מוקפות הילה של חומר אפל, בלתי נראה, וכי מה שנראה לעין אינו אלא חלק קטן מהמסה האמיתית של הגלקסיות. אותו טיעון תקף גם לגבי צבירי גלקסיות, וזו הדרך שבה הראה צוויקי את הסתירה לכאורה בין המסה הנראית למסה המחושבת של צבירי גלקסיות. אך מרבית האסטרונומים הניחו שהסתירה תיעלם עם שיפור אמצעי המדידה או לאחר חישוב מדויק יותר של תנועת הגלקסיות.

שוקלים גלקסיות

הנושא התעורר שוב רק בשנות השבעים, כאשר האסטרופיזיקאים רוברטס (Roberts) וסלפטר (Salpeter) בהמשך גם ורה רובין (Rubin) ועמיתיה ממכון קרנגי בוושינגטון הראו כי הבעיה קיימת לא רק בצבירי גלקסיות, אלא גם בתוך הגלקסיות עצמן: הכוכבים באזורים החיצוניים של גלקסיות ספירליות נעים סביב מרכזי הגלקסיות במהירות דומה לזו של כוכבים הקרובים למרכז, בסתירה ברורה לחוקי קפלר. בעוד שרובין מדדה את עקומות הסיבוב של גלקסיות בתחום הנראה, נעשה הגילוי של רוברטס וסלפטר באמצעות השימוש בטלסקופי-רדיו, אנטנות דמויות צלחת שנועדו לקלוט קרינה אלקטרומגנטית בתחום אורכי הגל הארוכים (גלי רדיו). חשיבותה העיקרית של אסטרונומיית הרדיו היא ביכולתה לגלות מימן, שהוא היסוד השכיח בטבע – כשבעים אחוזים ממסת היקום. “תעודת הזהות” האסטרונומית של מימן היא קרינה באורך-גל של 21 ס”מ שפולט אטום המימן כשהוא עובר ממצב מעורר למצב היסוד שלו. באמצעות קרינה זו התברר לחוקרים שגלקסיות לולייניות (ספירליות) עשירות בענני מימן מאכלסים דסקית גדולה שמסתובבת סביב מרכז הגלקסיה. דסקית המימן משתרעת לעתים מרחק רב מעבר לשולי הגלקסיה הנצפים בתחום האור הנראה, עד פי שלושה וארבעה מהרדיוס הנראה. האם ענני המימן הם-הם החומר האפל המסתורי שגורם לכוכבים בשולי הגלקסיה לנוע במהירויות הגבוהות כל-כך? למרבה ההפתעה התשובה על כך שלילית. למרות גודלה העצום של דסקית המימן, היא כה דלילה, עד שלמרות נפחה האדיר מסתה אינה גדולה יותר מאשר המסה בתחום האור הנראה ושתיהן יחד מהוות לא יותר מחמישית מהמסה הכוללת המבוקשת.

מאצ'ו נגד וימפ

מה אם כן יכול להיות אותו חומר אפל מסתורי? לאסטרונומים רבים התשובה פשוטה וברורה: זהו החומר הרגיל שממנו עשויים הכוכבים, המורכב מאטומים כגון מימן, הליום, פחמן, וברזל, חומר זה אינו משתתף בתהליכי מיזוג גרעיני, ולכן אינו פולט אור. גופים אפלים כאלה יכולים להיות בעלי כל מסה כמעט, החל באסטרואידים שמסתם קטנה פי מיליון מיליארדים ממסת השמש שלנו וכלה בחורים שחורים שמסתם גדולה פי מיליוני פעמים ממסת השמש. בין שני הקצוות הללו יש עוד סל שלם של אפשרויות: כוכבי לכת קטנים דמויי ארץ, כוכבי לכת גדולים כמו צדק, ננסים חומים – כוכבים שמסתם נעה בין אחוז אחד ל-8 אחוזים ממסת השמש (והטמפרטורה שלהם נמוכה מכדי “להדליק” את תגובת המיזוג התרמוגרעיני שמתקיימת בשמשות ומהווה את מקור האנרגיה שלהן), ננסים לבנים – שהם למעשה שמשות שכילו את הדלק הגרעיני שלהם והתקררו וכוכבי ניטרונים.

כל האפשרויות הללו מסווגות בקטגוריה אחת, שנקראת על ידי האסטרונומים בקיצור MACHO, ראשי התיבות של “גופים מסיביים קומפקטיים בהילה (של הגלקסיה)”. כנגדה הוצעה גישה חלופית על ידי פיזיקאים מתחום החלקיקים המכונה על ידם – WIMP ראשי תיבות של “חלקיקים מסיביים האלמנטריים, המגיבים באינטרקציה חלשה”. על פי תפיסה זאת היקום מלא בחלקיקים שעדיין לא ברורה זהותם, שמסתם קטנה והאינטרקציה שלהם עם חומר רגיל זעירה ביותר, שכן הם מגיבים באינטרקציה גרעינית חלשה בלבד, ולא באינטרקציה אלקטרומגנטית או בכבידה. אך הם מצויים בכמות כה עצומה ביקום עד שהשפעתם הכוללת ניכרת ולמעשה הם מהווים את עיקר החומר ביקום. הצרה היא כמובן, שלאיש לא ברור כלל באיזה חלקיק בדיוק מדובר.

מועמד פופולרי אחד לתפקיד ה”וימפ” הוא הניטרינו (באיטלקיו “הניטרלי הקטן”), ולו רק מהסיבה הפשוטה שידוע על קיומו… קיומו של הניטרינו נחזה על ידי הפיזיקאי האוסטרי וולפגנג פאולי(Pauli) כ-25 שנה לפני שהתגלה בפועל על ידי פרדריק ריינס (Reines)ב-1956, גילוי שעליו זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנה שעברה. הניטרינו הוא חלקיק חמקמק במיוחד. הוא חסר מטען חשמלי ולכן אינו מגיב לכוח אלקטרומגנטי; הוא אינו מגיב גם לכוח ה”צבע” הפועל בין קוורקים, או לכוח הגרעיני החזק הפועל בין נוקלאונים (שם כולל לפרוטונים וניטרונים), וכך הוא מסוגל לעבור דרך כל כדור הארץ או אפילו השמש כולה כאילו היו שקופים לחלוטין, ממש כמו רוח רפאים. עדיין לא ידוע בוודאות אם לניטרינו יש מסה קטנה, או שהוא משולל מסה לחלוטין. אך גם אם יש לו מסה, ברור שלכל היותר מדובר במסה זעירה ביותר, מסה הקטנה ממה שאפשר למדוד בטכנולוגיה הקיימת. אולם על פי התיאוריה המקובלת היקום מלא בכמויות אדירות של ניטרינים, כמה מאות ניטרינים בכל סנטימטר מעוקב! לפיכך, אם לניטרינו יש מסה כלשהי, ולו הקטנה ביותר, פירושו של דבר שהוא-הוא מהווה את מרכיב המסה החסרה ביקום, או על כל פנים – חלק ניכר ממנה.

החלקיקים ההיפותטיים של איחוד הכוחות

אך זו היא רק אפשרות אחת. החלקיקאים התיאורטיקנים “רוקחים” חדשות לבקרים חלקיקים היפותטיים, שעשויים למלא אף הם את תפקיד המסה האפלה של היקום. כך למשל הוצע בשנת 1983 קיומו של חלקיק ניטרלי מבחינה חשמלית בשם “אקסיון” (הקרוי, אגב, על שם… מלבין כביסה), כדי לפתור בעיות מסוימות הקשורות לכוח ה”צבע”. האקסיון, אם אכן הוא קיים, אמור להיות קל פי מיליון לפחות מן האלקטרון – החלקיק הקל ביותר הידוע, אך היות שכל סנטימטר מעוקב של היקום עשוי להכיל אלפים או אף מיליונים של אקסיונים, די בכך כדי שתרומתו למסה הכוללת של היקום תהיה מכרעת. חלקיקים אחרים “צצים” במשוואות שונות ומשונות במסגרת ניסיונותיהם של הפיזיקאים לאחד את ארבעת הכוחות היסודיים בטבע בתורה מאוחדת אחת, תחום שנעשה פופולרי מאוד בשנים האחרונות. לפי אחת התאוריות, לכל חלקיק בטבע יש חלקיק “על-סימטרי” (סופר-סימטרי) המתאים לו. למשל,לחלקיקים W ו- Z (החלקיקים הנושאים ומעבירים את הכוח החלש) מתאימים החלקיקים זינו (Zino) ווינו (Wino). לפוטון מתאים חלקיק על-סימטרי בשס פוטינוו (Photino). לקוורקים מתאימים הסקוורקים (Squarks). הפיזיקאים מתייחסים לרעיונות אלה בכובד ראש. מספר קבוצות במקומות שונים בעולם מנסות לבנות מכשירים מיוחדים לגילוי החלקיקים האקזוטיים הללו, ואחרים מחפשים אחריהם בעקבות שמותירות התנגשויות רבות עוצמה בין חלקיקים במאיצי החלקיקים הגדולים. ישנם גם אחדים הסבורים כי גילו כבר סימני חלקיקים אלה, אך לכך אין עדיין כל בסיס מוצק.

הדרך הטובה ביותר לגלות את אותם “וימפ” היא אותה דרך שבאמצעותה מזהים את חלקיקי הניטרינו, על ידי גלאי ענק השקועים במכרות עמוק מתחת לפני הקרקע. גם חלקיקים שלא מגיבים כמעט עם חומר (הואיל והם מגיבים, כאמור, באינטראקציה חלשה בלבד), פוגעים לעתים נדירות בגרעין של אטום וניתזים לאחור. אך היות שההסתברות לכך קטנה עד להדהים, יש להשתמש במטרה גדולה ככל האפשר כלומר, מטרה שיש בה מספר עצום של אטומים ולבודד את מערכת הניסוי מפני רעש רקע בדמות קרינה אלקטרומגנטית מסוג גמה או קרינה קוסמית של חלקיקים טעונים (פרוטונים, בעיקר), שעוצמתן גדולה פי מיליונים מן ה”וימפ”. לשם כך “מסתירים” את הגלאים עמוק מתחת לפני הקרקע, שם השפעת הקרינה הקוסמית או כל הפרעה אחרת קטנה מאוד. גלאים כאלה אכן נבנו בעבר בהשקעה כספית לא מבוטלת כדי למדוד פגיעת ניטרינים (מדידות שנעשות באופן שגרתי) וכדי לבדוק האם הפרוטון מתפרק (מדידה שעדיין לא העלתה תוצאות חיוביות) והם מתאימים גם לסוג זה של ניסויים.

מאצ'ו מבעד לעדשה

ב-1986 הציע האסטרונום בוגדן פצ'ינסקי (Paczynski)מפרינסטון דרך מתוחכמת לבדוק האם החומר האפל מורכב מ”מאצ'ו”, כלומר מהילה של חומר קר רגיל סביב הגלקסיה. על פי חישוביו, אם אכן כך הדבר, הרי הכבידה של החומר האפל הזה צריכה להשפיע על האור המגיע מן הכוכבים שמצויים בגלקסיות שכנות לשביל החלב. ניקח למשל את האור המגיע מכוכב המצוי בענן מגלן הגדול, גלקסיה הסמוכה לשביל החלב. באופן רגיל אורו מתבדר ורק חלק קטן ממנו מגיע אלינו ונראה בתצפית מבעד לטלסקופ. אולם במצבים מסוימים החומר האפל של ההילה משפיע על האור המגיע מן הכוכב, והיות שעל פי תורת היחסות הכללית כבידה פועלת גם על אור, אורו של הכוכב יוטה באמצעות ההילה וירוכז מעט בכיוון מסויים. ה”מאצ'ו” פועל כמו עדשה מרוכזת, כך שהצופים על כדור הארץ יראו (לעיתים נדירות, אמנם) את הכוכב באופן בהיר יותר מאשר בדרך כלל.

באופן עקרוני הרעיון של פצ'ינסקי, מאפשר לבחון האם המסה האפלה מקורה ב”מאצ'ו” או ב”וימפ”. אולם ברור שבאופן מעשי גילוי שינויים זעירים בעוצמת האור של כוכב קשה ביותר לביצוע, וכמובן , צריך לדעת מהו זמן המחזור האופייני של שינויים אלה והאם אין מנגנונים נוספים שיכולים לגרום את יצירתם. למשל, יש להיזהר שלא להתבסס על תצפיות על כוכבים משתנים, קפאידים, שעוצמת האור שלהם משתנה בגלל שינויים דינמיים בתוך הכוכבים עצמם, או על כוכבים כפולים, שרק אחד מהם נראה לעין וכאשר הוא מוסתר על ידי בן זוגו, כמות האור ממנו פוחתת, גם כן באופן מחזורי. עד כה דיווחו ארבע קבוצות של אסטרונומים על מדידת תוצאות מהסוג שפצ'ינסקי חזה, ואף כי אין בתוצאות הללו עד כה משום הוכחה חותכת, מראות הערכות ראשונות כי סוג כלשהו של “מאצ'ו” עשוי להיות לפחות חלק מן המסה האפלה של היקום, ככל הנראה בצורת ננסים חומים.

יקום פתוח או סגור?

בעוד האסטרונומים והחלקיקאים “נאבקים” על זיהויה של המסה האפלה, נכנסו גם הקוסמולוגים לתמונה. ידיעת המסה הכוללת של היקום, חשובה מאוד להבנת התפתחותו. על פי תאוריית המפץ הגדול, התפשטותו של היקום הואטה בעבר וממשיכה להיות מואטת כל הזמן בשל כוח הכבידה הפועל בין כל מרכיבי החומר והאנרגיה שבעולם. ההאטה פועלת במגמה הפוכה למגמת ההתפשטות. לפיכך המידה שבה מואטת ההתפשטות תלויה ישירות בכמות הכוללת של מסה ואנרגיה שבו.

יש שלושה תסריטים אפשריים להמשך התפתחותו של הייקום. האחת, שהכמות הכוללת של מסה ואנרגיה ביקום הינה גדולה יותר מערך קריטי מסויים (שקל לחישוב), ולכן התפשטותו של הייקום תואט בהדרגה עד שתיעצר כליל ולבסוף תחולל קריסה מחדש של כל החומר והאנרגיה בחזרה למצב הראשוני (“הקריסה הגדולה”, באנלוגיה למפץ הגדול). השנייה, שהכמות הכוללת של מסה ואנרגיה ביקום קטנה מן הערך הקריטי הנ”ל, ולפיכך התפשטות הייקום תואט אמנם אך לא תיעצר לעולם. היקום ימשיך להתפשט לעד, תוך מיצוי כל התגובות התרמו-גרעיניות בלב הכוכבים, עד שלבסוף יגיעו לשלב שבו לא יוכלו יותר להפיק אנרגיה, ויגיעו למצב הקרוי “מוות תרמודינמי”. התסריט הראשון מתאר יקום סגור מבחינת החלל והזמן כאחד (אם כי בניגוד לתסריט השני אפשר להניח שהוא עשוי לחזור על עצמו שוב ושוב). התסריט השני מתאר יקום פתוח, כלומר אינסופי מבחינת החלל והזמן שהייתה לו התחלה מוגדרת, אך לא יהיה לו סיום מוגדר. ולבסוף התסריט השלישי, אם הכמות הכוללת של מסה ואנרגיה ביקום מתאימה בדיוק לערך הקריטי, התפשטות היקום תואט בהדרגה עוד ועוד, ותשאף לאפס ככל שיעבור הזמן. למרות שההתפשטות לא תיעצר לעולם, בפועל גודלו של היקום יתכנס לערך סופי כלשהו, מבלי לקרוס בחזרה ובלי להתפשט עד אינסוף.

מהו מצבו האמיתי של היקום? איזה תסריט “נבחר” ומתקיים בפועל? כדי לענות על כך צריך להעריך את המסה הכוללת של היקום, או ליתר דיוק את צפיפות המסה באותם אזורים שעליהם ניתן לצפות. ואמנם נעשו ניסיונות שונים לתת על כך תשובה, ובכולם התברר כי צפיפות המסה הממוצעת של היקום הניתן למדידה קטנה במידה ניכרת, אולי פי מאה, מצפיפות המסה הקריטית. אילו הערך הנמדד היה גדול מן הערך הקריטי, זו הייתה תשובה מכרעת: פירושו של דבר שהיקום היה קורס ברבות הימים. אך הואיל והצפיפות הנמדדת קטנה מן הערך הקריטי ומסה אפלה עדיין איננה נצפית, אין שום דרך לדעת בוודאות אם אמנם היקום ימשיך להתפשט לעד.

אולם הקוסמולוגים מרגישים אי נוחות גדולה מהעובדה שהמסה הנראית של היקום קטנה “רק” פי מאה מן הערך הקריטי (ואולי אפילו רק פי עשרה, לפי ההערכות הרווחות של המסה האפלה). יש ביניהם הסבורים כי דבר זה אינו מקרי. הרי המסה היתה יכולה להיות קטנה פי מיליארד מן המסה הקריטית, או גדולה ממנה פי טריליון. אין שום סיבה נראית לעין, הם טוענים, שהתוצאה תהיה כה קרובה (במונחים אסטרונומיים) לערך הקריטי. לדעתם זהו רמז לכך שהכמות הכוללת של מסה ואנרגיה ביקום שווה – חייבת להיות שווה – לגודל הקריטי, ויש גם סיבה קוסמולוגית שמכתיבה יקום “קריטי” שכזה.

היקום האינפלציוני

התמיכה העיקרית בתסריט כזה מגיעה ממודל קוסמולוגי חדש יחסית, הקרוי “המודל האינפלציוני”, שאותו הציע בשנת 1981 הפיזיקאי האמריקני אלן גות' (Guth). על פי המודל שלו, ששוכלל מאז על ידי פיזיקאים נוספים, חל זמן קצר לאחר בריאת היקום שלב של התנפחות (אינפלציה) מעריכית (אקספוננציאלית), שבו תפחו ממדי היקום בקצב עצום, ומכאן מקור השם. החומר ביקום, שכמותו גדולה בהרבה ממה שנדמה היה עד אז על פי המודלים הקוסמולוגיים השונים לא נוצר כמובן יש מאין, אלא “על חשבון” אנרגיה פוטנציאלית (כידוע, על פי תורת היחסות הכללית חומר ואנרגיה שקולים זה לזה). המודל האינפלציוני בא לענות על קשיים שונים שהתעוררו לגבי תאוריית המפץ הגדול, שאינם קשורים ישירות לנושא המאמר, אך בדיעבד הוא גם מסביר כיצד התאפשרה בריאה של כמות כה עצומה של מסה, שאינה ניתנת להסבר במסגרת התאוריה הרגילה של המפץ הגדול.

בינתיים מידת התקפות של המודל האינפלציוני שנויה במחלוקת, אם כי נראה שתוצאות המדידה של הלוויין “קובי” (COBE)- שמדד את האי-אחידות בקרינת הרקע הקוסמית, תומכות במודל זה. דבר אחד ברור: לאיש אין עדיין שום מושג היכן אפשר “לאתר” מסה בכמות הגדולה פי עשרה עד מאה ממסת היקום הנראה. שאלות גדולות, “קוסמולוגיות” אלה מחכות עדיין למדען בעל שיעור קומה, שיבוא עם רעיון מבריק או יציע אמצעי מדידה חדשים, שאינם מצויים עדיין ברשותנו.

אולם אם אכן ההשערה בדבר קיומו של החומר האפל נכונה, היא מהווה חיזוק נוסף להשערה הקופרניקנית, המתייחסת למקומו של האדם ביקום. קופרניקוס הראה לאנושות שכדור הארץ, כלומר האדם, אינו נמצא במרכז היקום. אדווין האבל הראה בתחילת המאה העשרים שהשמש אינה במרכז שביל החלב ומאוחר יותר – ששביל החלב אינו אלא גלקסיה אחת מבין מאה מיליארד או יותר גלקסיות אחרות הדומות לה. תאוריית היקום האינפלציוני מלמדת אותנו שאולי כל היקום הנראה לעין אינו אלא חלק זעיר מהיקום כולו, ואם אכן קיים חומר אפל בכמות כה גדולה, ייתכן שכל החומר הרגיל שממנו עשויים אנו וכל לקריאה נוספת: הכוכבים והגלקסיות הנראים לעין אינם אלא, חלק זעיר ממרכיבי היקום כולו.

“חידת המסה הנעלמה”, אבישי דקל, “מדע” כ”ג-6, עמ' ) 2601979)
“החומר האפל”, צבי פלטיאל, “פי האטום” ד'-3, עמ' ) 51989)

* מאמר זה הוא המאמר האלף שהוכנס לאתר החדש, 6/2/2007