חלק ניכר מהחומר שהיה קיים בזמן המפץ הגדול פשוט… נעלם. מדענים סבורים שהוא נמצא בחלל הריק שמחוץ לצבירי הכוכבים הגדולים, אך הקושי הגדול הוא למצוא אותו

מתברר שהחלל הריק בין הגלקסיות ביקום פחות ריק ממה שנדמה במבט ראשון. אסטרופיזיקאים סבורים כיום ש-60-30 אחוז מהחומר ביקום חבוי בין הגלקסיות. החומר הזה נקרא "התווך הבין-גלקטי", אך למרות גודלו העצום קשה מאוד לצפות בו. למעשה, הסיבה המרכזית לכך שאנחנו חושבים שכמות משמעותית של חומר חבויה ברִיק שבין הגלקסיות היא שכבר חיפשנו אותו קודם בכל מקום אחר, אך לשווא. למען הסר ספק נציין כי לא מדובר בחומר אפל, שטיבו אינו ברור עדיין, אלא בחומר רגיל כמו זה שממנו עשויים אנחנו, כדור הארץ וכל מערכת השמש שלנו. חומר רגיל נקרא גם חומר בַּרְיוֹנִי" (Baryonic matter) והבעיה המתוארת כאן נקראת "בעיית הבַּרְיוֹנִים החסרים". 

כשמשווים בין כמות החומר בעבר לכמותו כיום מגלים כי חומר "הלך לאיבוד" בדרך. אולם חוקי השימור הידועים לנו מחייבים שכמות החומר ביקום תהיה קבועה, כך שאי אפשר לאבד חומר.

לפי תיאוריית המפץ הגדול, כשהיקום רק נוצר, כל החומר התרכז בתחום קטן מאוד. שתי מדידות בלתי תלויות, המבוססות על התנאים הייחודיים שהיו קיימים עם היווצרות היקום  הגיעו להערכה דומה מאוד שלפיה כמות החומר הרגיל ביקום היא כחמישה אחוזים מסך האנרגיה שבו. במדידה הראשונה בחנו את קרינת הרקע הקוסמית, שמקורה במפץ הגדול, והעריכו את ההשפעות שספגה מהחומר הבריוני שהיה בתחילת היקום. במדידה השנייה מדדו את הכמות הכוללת ביקום של כמה יסודות נדירים, שנוצרו בעיקר בשניות הראשונות של היקום כגון סוג מסוים של אטום הליתיום. כמות הליתיום ביקום יכולה לתת הערכה די מדויקת לכמות החומר שהייתה מיד אחרי המפץ הגדול.

מדידת כמות החומר הנוכחית ביקום היא כבר משימה מורכבת יותר. ראשית צריך להעריך את המסה של כל הכוכבים והגלקסיות באמצעות מדידה של צפיפות הכוכבים ביקום. אולם כשמסכמים את כל המסה הזו מקבלים נתון מפתיע: היא אינה עולה על 10 אחוזים מהמסה הכוללת בראשית ימי היקום. מכאן עולה שתשע העשיריות הנותרות של החומר ביקום הם גז ואבק המפוזרים בין הכוכבים ובין הגלקסיות.

הדמיה של מפגש בין גלקסיות ומעבר חומר | מקור: SAKKMESTERKE / SCIENCE PHOTO LIBRARY
בכל מקום אחר כבר חיפשנו. הדמיה של מפגש בין גלקסיות ומעבר חומר | מקור: SAKKMESTERKE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

גרגיר חול באיצטדיון

לא פשוט לחפש גז או אבק ביקום. חלק מהגז קל יחסית לזהות, מכיוון שהוא פולט אור. חיפוש קצר בתמונות שצילם טלסקופ החלל האבל יניב אינספור תמונות מרהיבות של גז בין-כוכבי. ענני חלקיקים אחרים אפשר לזהות משום שהם שהם חוסמים חלק מהאור. אבק בין-כוכבי, לדוגמה, חוסם אור כחול הרבה יותר טוב מאור אדום. כך שהכוכבים מאחוריו נראים אדומים יותר. כך, ובצירוף של שיטות נוספות, הגיעו חוקרים להערכה שלפיה הגז בתוך הגלקסיות וסביבן מכיל 60-40 אחוז מהחומר ביקום. בתוספת החומר שזיהינו בכוכבים עצמם, נותרים עוד 50-30 אחוז מהחומר שאיננו יודעים היכן הוא נמצא. המקום היחיד שעוד נותר הוא בין הגלקסיות. 

הקושי לגלות את התווך הבין-גלקטי נובע מצפיפותו הנמוכה, העומדת בערך על אטום אחד לכל מטר מעוקב. קל יותר לחפש גרגיר חול בודד באצטדיון כדורגל. הקושי הזה מאלץ חוקרים שמבקשים להוכיח את קיומו של החומר הבין-גלקטי לגלות יצירתיות רבה. חוקרים השתמשו לשם כך למשל במדידת התפרצויות מהירות של קרני רדיו בחלל, ובשיטות מדידה נוספות. גם המחקרים האלה העידו שהחומר החסר כנראה מפוזר אי שם בתווך הבין-גלקטי. אך כמו בכל דבר אחר במדע, מוטב לחכות עד שיצטברו די ראיות לפני שנכריז כי אכן מצאנו את הבריונים החסרים.

רועי רחין הוא דוקטורנט לאסטרופיזיקה בטכניון ומילגאי של הקרן ע"ש אילן רמון
 
 

12 תגובות

  • נחמן

    מסה

    יתכן והמושג המסה (חומר) הוא הגורם למבוי הסתום בהמשך הבנת היקום. אולי אין כלל הבדל ברור בין חומר ואנרגיה. זה לא באמת או זה או זה. צפיפות אנרגיה במרחב נתון יכולה להיות רציפה, ומשום מה כשהיא עוברת סף מסוים אנחנו מודדים אותה כחומר. עובדה היא שככל שמשקיעים יותר אנרגיה בפירוק גרעין האטום, מתגלים עוד ועוד "חלקיקים" שגם הם "יתחלקו" בעתיד כשנפציץ אותם באנרגיה יותר גדולה. לתהליך לא יהיה סוף, והוא אינפיטיסימלי. ומכאן שהמושג מסה שגוי מיסודו. היקום הוא רק אנרגיה. יש כאן מחסום מחשבתי שצריך לשבור אותו. והאלקטרונים הם פונקציית גל, כלומר גם אנרגיה. יתכן וכל היקום הוא פונקצית גל, ולכן הוא מתפשט ללא סוף. תנאי ההתחלה והשפה של הפונקציה נקבעו במפץ הגדול. וזה גם אומר שליקום יש "עתידים" כאלה ואחרים, עם הסתברויות שונות. ואולי זה מתקשר למושג אבולוציה, שמתקיימת גם בעולם "הדומם" ולא רק בעולם "החי", כי הכל זה אנרגיה. יתכן.

  • רועי רחין

    אלה רעיונות לא רעים, חלקם אפילו קיימים בפיזיקה המוכרת

    לרעיונות שאתה מעלה יש מודלים מתמטיים (די מורכבים) בתוך הפיזיקה הקוונטית שעוסקת בחלקיקים.
    אני לא אתיימר להסביר בהודעה קצרה מודלים שעוסקים בהם אלפי מדענים ברחבי העולם כבר עשרות שנים, אני רק אציין שלחלק מהרעיונות האלה שהעלת אכן יש ביטוי בתוך הפיזיקה הקוונטית המוכרת לנו.
    השם של התחום הספציפי הזה הוא "תורת שדות קוונטית" והוא מעניין מאוד בפני עצמו. עם זאת, בכתבה הזו אפשר להתייחס לחומר פשוט כחומר. המצבים שדנים בהם בתורת שדות קוונטית הם מצבי קצה מבחינת הקוסמולוגיה.
    החומר ה"חסר" קיים ממש בתור חומר. הסיבה שאנחנו יודעים שהוא קיים היא כי ראינו אותו לפני שהוא נעלם.
    ממש כמו שאדם שמאבד את המפתחות בבית לא תוהה אם הם הפכו ספונטנית לאנרגיה, אלא מחפש אותם מתחת לספה.
    מסתבר שליקום יש ספה מאוד גדולה להסתיר מתחתיה מפתחות.

  • ערן

    איזה יופי, עוד מישהו שותף

    איזה יופי, עוד מישהו שותף לדעתי. כבר עשרות שנים אני שותק עם הדעה הזאת. חשבתי שאני משוגע...

  • אנונימי

    יו

    הם אומרים שקיים חומר שמעולם לא ראו . אם הם אף פעם לא ראו את החומר אז איך הוא קיים? משהו ראה פעם משהו שלא קיים ?לדוגמא משהו פעם ראה את המוות ? לא את המוות של האחר אלה שלך עצמך?

  • רועי רחין

    החומר החסר נצפה בשלב מוקדם יותר בחיי היקום

    דמיין שאני מראה לך קומץ קטן של גרגירי חול.
    אני נותן לך לספור אותם, לבחון אותם ולעשות מה שתרצה כדי להשתכנע שהם קיימים.
    אחר כך אני לוקח את גרגירי החול האלה ומפזר אותם בתוך אצטדיון כדורגל ענק. יהיה לך מאוד מאוד קשה למצוא את גרגירי החול האלה באיצטדיון אחרי שפיזרתי אותם שם, אבל אתה יודע בוודאות שהם שם כי ראית אותי מפזר אותם שם. באותו אופן אנחנו יודעים שהחומר החסר קיים, פשוט מאוד קשה לנו למצוא אותו כי הוא מפוזר בכל היקום.
    יש הרבה חומר ביקום, אבל יש הרבה יותר יקום.

  • דני

    אכן מחשיד. ולא מהיום

    עלית על משהו אדיר. גם אני חושד שמכנסים לנו כל מיני שמות של חומרים וכל מיני תיאוריות כדי להישתמש בזה נגדינו

  • אנונימי

    שגיאה?

    חוק שימור החומר כבר עבר מן העולם: לפי תורת היחסות חומר הוא סוג נוסף של אנרגיה - אנרגיה יכולה להפוך לחומר ולהיפך. לדוגמה: השמש מאבדת כל שנייה 4 מיליון טון חומר ההופכים לאנרגיה בעקבות התהליכים הגרעיניים המתרחשים בה. הכמות הכוללת - של האנרגייה לסוגיה השונים ושל החומר, היא זו שנשמרת.

  • רועי רחין

    מעבר בין אנרגיה לחומר מתרחש במצבים ספציפיים

    חומר בריוני לא מתפרק ספונטנית (וטוב שכך, אחרת לא היינו קיימים).
    מרבית החומר החסר הוא פרוטונים ואלקטרונים, שהם החלקיקים היציבים ביותר. בשמש חומר הופך לאנרגיה בתנאים מאוד ספציפיים (וקיצוניים) של טמפרטורה מאוד גבוהה וצפיפות מאוד גבוהה.
    גם בשמש, חומר הופך לאנרגיה רק בליבה. אם פתאום יעלם לך חומר ממעטפת השמש זה יהיה מאוד מוזר.

  • אבנר

    שאלה של בור

    איך אפשר בכלל להעריך מסה של היקום כאשר עדיין לא ניתן להעריך אם יש או אין לו סוף. בטח אם מדברים על חומר בין גלקסיות וחומר אפל.
    אם מניחים למשל שיש גבול למסת הכוכבים כולם, אך אין סוף לריק שבין כוכבים, אך מניחים שיש מסה בתוך הריק (החומר האפל) זאת אומרת שאין גבול למסה של הכוכבים + החומר האפל.
    אם הגלקסיות מתפשטות בתוך הריק. ז"א שאין גבול לריק, כי אז לא היו מתפשטות. אם היה גבול היינו רואים גלקסיות חוזרות והיתנגשויות בין גלקסיות כמו שזורקים הרבה כדורים יחדיו אל הקיר ובחזרה.
    לסיכום לעניות דעתי ההגיונית והצרה, אם מניחים שיש חומר אפל בריק הוא בהכרח אין סופי כך שלא ניתן בשום צורה להעריך מסה. איפה אני טועה?

  • רועי רחין

    כל הערכות המסה של היקום מדברות על היקום הנראה

    היקום הנראה סופי, לכן אפשר להעריך את כמות החומר שנמצאת בתוכו. הכתבה בכל מקרה לא מדברת על חומר אפל, אלא על חומר רגיל. כמו זה שאני ואתה עשויים ממנו.

  • joseph arodi

    מעניין מאוד

  • משה חזן

    החומר מופיע כשהריק מתרחב

    וכשהכל נמצא בתנועה מתמדת, נוצרים חללים/מרחבים בין הכוכבים ובין הגלקסיות. וכשהמרחבים גדולים עד כדי שאין בהם השפעת כבידה של המסות שהתרחקו, מופיע החומר ונוצר כוכב. מחזוריות אין סופית.