מדידות של צבירי גלקסיות במרחקים עצומים מאשרות את חוקי ניוטון ואיינשטיין ומחזקות את קיומו של החומר האפל
כוח הכבידה, מהכוחות הבסיסיים ביותר בטבע, ממשיך להוכיח את יציבותו גם בקנה המידה הגדול ביותר שנבדק אי פעם. מחקר חדש, שהתפרסם בכתב העת Physical Review Letters, מציג את הבדיקה הרחבה ביותר עד כה של חוקי הכבידה – ומאשר כי הם פועלים בדיוק כפי שחזו אייזק ניוטון ו־אלברט איינשטיין, גם במרחקים קוסמיים עצומים.
המחקר, בהובלת הפיזיקאי פטריסיו גייארדו מאוניברסיטת פנסילבניה, בחן תנועת צבירי גלקסיות המופרדים זה מזה במאות מיליוני שנות אור. התוצאה: עוצמת הכבידה פוחתת עם המרחק בהתאם לחוק ההפוך לריבוע – בדיוק כפי שנוסח כבר במאה ה־17.
בעיית "המסה החסרה" חוזרת למרכז
המחקר נולד מתוך אחת הבעיות הגדולות בקוסמולוגיה: הפער בין כמות החומר הנראה לבין התנהגות הגלקסיות. תצפיות מראות כי כוכבים וגלקסיות נעים מהר יותר מכפי שניתן להסביר באמצעות החומר הנראה בלבד.
בעיה זו הובילה לשתי אפשרויות עיקריות:
או שקיים חומר בלתי נראה – חומר אפל – או שחוקי הכבידה עצמם שונים בקנה מידה גדול.
המחקר החדש תומך באפשרות הראשונה. מכיוון שחוקי הכבידה נמצאו תקפים גם במרחקים עצומים, נראה כי הפתרון הוא אכן קיומו של חומר נוסף שאינו נראה.
כיצד מודדים כבידה בקנה מידה קוסמי?
החוקרים השתמשו בנתונים מ־Atacama Cosmology Telescope, שמודד את קרינת הרקע הקוסמית – האור הקדום ביותר ביקום, שנפלט כ־380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול.
כאשר אור זה עובר דרך צבירי גלקסיות, תנועתם משפיעה עליו ויוצרת עיוותים זעירים. ניתוח עיוותים אלה מאפשר למדוד את מהירות הצבירים ואת עוצמת הכבידה הפועלת ביניהם.
החוקרים ניתחו מאות אלפי צבירי גלקסיות, ובחנו כיצד הכבידה פועלת על פני עשרות מיליוני שנות אור – הבדיקה המקיפה ביותר שנעשתה עד כה.
אישוש החוק הקלאסי – ודחיית חלופות
התוצאות הראו התאמה מלאה לחיזויים של ניוטון ושל איינשטיין. בכך הן מערערות על תיאוריות חלופיות, כגון Modified Newtonian Dynamics (MOND), שמציעות לשנות את חוקי הכבידה כדי להסביר את התנהגות הגלקסיות.
המשמעות ברורה: אם חוקי הכבידה אינם משתנים, יש צורך בהסבר אחר לפער – וההסבר הסביר ביותר הוא קיומו של חומר אפל.
לדברי גייארדו, "מרשים לראות שחוק שנוסח לפני יותר מ־300 שנה ממשיך לפעול גם בקנה מידה שלא ניתן היה לדמיין בזמנו".
חידה פתוחה: מהו החומר האפל?
למרות החיזוק לקיומו, טבעו של החומר האפל עדיין אינו ידוע. המדענים אינם יודעים ממה הוא עשוי, כיצד ניתן לזהותו ישירות, או כיצד הוא משתלב במסגרת הפיזיקה המוכרת.
המחקר הנוכחי אינו פותר את החידה, אך מצמצם את האפשרויות. הוא מחזק את המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי ומכוון את המאמצים העתידיים לעבר גילוי החומר עצמו, ולא שינוי חוקי הכבידה.
בעתיד, שילוב של מדידות מדויקות יותר של קרינת הרקע הקוסמית וסקרים רחבי היקף של גלקסיות צפוי להעמיק עוד יותר את הבנתנו.
עוד בנושא באתר הידען:
