אופן ההתפתחות הקוסמולוגי של חומר אפל זהה לזה של חומר נראה

מבנים גדולים ביקום שמורכבים מחומר אפל מתפתחים באופן דומה למבנים גדולים שמתבססים על חומר נראה. זו אחת המסקנות החשובות שמקורה בסימולציית מחשב חדשה. חישוב הסימולציה מהווה נקודת מפגש בעבודה רבת שנים של צוות אסטרופיזיקאים וקוסמולוגים פולניים, גרמניים ורוסיים

מבנים גדולים ביקום שמורכבים מחומר אפל מתפתחים באופן דומה למבנים גדולים שמתבססים על חומר נראה. זו אחת המסקנות החשובות שמקורה בסימולציית מחשב חדשה. חישוב הסימולציה מהווה נקודת מפגש בעבודה רבת שנים של צוות אסטרופיזיקאים וקוסמולוגים פולניים, גרמניים ורוסיים.

צוות מדענים מהפקולטה לפיזיקה מאוניברסיטת וורשה (Faculty of Physics, University of Warsaw (FUW),), המוסד לפיזיקה ע”ש לבדב של האקדמיה הרוסית למדעים (Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences) והמכון לאסטרופיזיקה בפוטסדאם (Institute for Astrophysics in Potsdam), הכין סימולציה ברזולוציה גבוהה. בעזרת הסימולציה ניתן להתחקות אחרי התפתחותם של ענני חומר אפל וחומר נראה שממלאים את היקום. התוצאות מאשרות הנחות קודמות שנוגעות למאפיינים בסיסיים של חומר אפל, ובייחוד פיזורו בקנה מידה קוסמולוגי.

אסטרונומים נאבקו עם הסברים לגבי תנועת כוכבים בתוך גלקסיות ותנועת גלקסיות בצבירי גלקסיות. מדידות הראו שגלקסיה אופיינית מאכלסת פי 10 עד 50 יותר חומר אפל מחומר נראה, ושצבירי גלקסיות מכילים אף פי 100 עד 500 יותר חומר אפל מנראה. “נראה שחומר נראה, שמרכיב את עולמנו היום-יומי, הוא לא יותר מתוספת קלה לחומר האפל. יש לפחות פי שש חומר אפל ביקום, ואיש לא יודע מהו. גילוי טיבו [של החומר האפל, ע.א] הוא התנסות מרגשת” אומר פרופסור מארֶק דמייאנסקי (Marek Demiański), מהפקולטה לפיזיקה באוניברסיטת וורשה.

כרגע, משוער שחומר אפל מורכב מחלקיקים אקזוטיים שעדיין אינם מוכרים למדע, ושמבצעים אינטראקציה מינמלית, אם בכלל, עם קרינה אלקטרומגנטית וחלקיקים שמוכרים לנו כיום. מדענים יכולים לצפות בחלקיקי חומר אפל בשיטות לא-ישירות בלבד, לדוגמא בחקירת השפעת כבידת החומר האפל על תנועת החומר הנראה ביקום.
בהינתן הכמות המשמעותית, משוער כי היה לחומר אפל תפקיד מפתח בהיווצרות גלקסיות וצביריהן. לכן, מדענים מתעניינים בדרך שבה חומר אפל מפוזר ביקום, וכיצד המבנים שאוצרים אותו התפתחו משך הזמן. כדי לענות על שאלות אלו, יש לצפות בצבירי גלקסיות, שאורם נע במסע לכדור הארץ משך עשרה מיליארד שנים או יותר. אולם עצמים רחוקים קשים לזיהוי. לכן כמות התצפיות על חומר אפל אינה מספקת למחקר סטטיסטי.
סימולציות מחשב יעילות בחקר חומר אפל. הן מאפשרות לצפות בתהליך היווצרות בצבירי חומר אפל בקנה-מידה גדול, והשפעתה על פיזור מרחבי של חומר נורמלי. ע”י השוואת התוצאות שהושגו בדרך זו עם עדויות תצפיתיות, מתאפשרת הערכת אמיתוּת השערות המדענים לגבי מאפייני חומר אפל.

בתקופה המוקדמת שלאחר המפץ הגדול, חומר אפל ונראה היו מפוזרים באופן שווה, פחות או יותר, ביקום. בניגוד לחומר נראה, חומר אפל אינו מקיים אינטראקציה עם קרינה אלקטרומגנטית, שמילאה את היקום זמן מועט לאחר המפץ הגדול, ועל כן נכנע לכוח הכבידה של עצמו מהר יותר. עיוותים קלים בפיזור של חומר אפל החלו להתכווץ גרביטציונית, משכו חומר אפל, ולאחר מכן גם חומר נראה. הסימולציה ע”י הצוות הבינ”ל מראה את התהליך הזה.

משך הסימולציה, מדענים ניתחו את התנהגותן של כמיליארד אובייקטים נקודתיים בתוך קוביה שאורך כל אחת מפאותיה הוא כמה מאות מליוני שנות אור. משך הזמן, הנקודות התפשטו עם התפשטות (Balooning) היקום. מיליארד הנקודות היו מפוזרות האופן שווה בקוביה, ומספרן נקבע רק על פי גבול יכולות הישוב של מחשבים מודרניים. כל נקודה בסימולציה היתה בעלת מסה של מאה מליון שמשות. מאפייני חומר אפל ניתנו לרוב הנקודות. לאחר מכן, המדענים ניתחו את האופן שבו השתנה פיזור הנקודות משך זמן, תחת השפעת כוח הכבידה.

אחת המסקנות החשובות ביותר מהסימולציה היא האישור של זהות עצמית בין תהליכי האבולוציה של מבני חומר אפל ומבני חומר נראה בקנה מידה קוסמולוגי. פירושו, אם נבחן קובייה ארבעה מיליארד שנים לאחר המפץ הגדול, ונשווה אותה לקוביה שגילה עשרה מיליארד שנים, אזי, לאחר התאמת המידות של שתי הקוביות, מבני החומר הנראה והאפל יהיו כמעט זהים.

“זהות זו בין תהליכי ההתפתחות של שני הסוגים מאפשרת לנו לשחזר את פיזור החומר האפל על בסיס פיזור החומר הנראה. הסימולציה שלנו אישרה את האפקט הזה ואנו יכולים לומר בהחלטיות רבה יותר שאנו יכולים לצבור תובנה לגבי העולם הבלתי נראה של החומר האפל ע”י תצפית על תנועת חומר נראה”, מסכם פרופסור דמיינאנסקי.
תוצאות הסימולציה פורסמו ב- Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, והוצגו בכנס הבינ”ל JENAM 2011 European Week of Astronomy and Space Science ביולי האחרון, בסנט-פטרסבורג, רוסיה.

להודעה של החוקרים