איננו יכולים לראות אותו או לחוש אותו בשום צורה ידועה, ואלמלא הכבידה שלו לא היינו יודעים על קיומו. ובכל זאת פיזיקאים סבורים שהוא מקיף אותנו מכל עבר. מהו החומר האפל ואיך מנסים לגלות אותו?

פיזיקאים סבורים כיום שהחומר הרגיל, המורכב מאותם אטומים שמהם בנויים אנחנו, העולם הסובב אותנו וכל גרמי השמים שאנו רואים, אינו אלא פחות מחמישית מכלל החומר ביקום. על שאר החומר איננו יודעים כמעט דבר, שכן הוא אינו מקיים שום יחסי גומלין עם אור, כלומר אינו בולע אור, פולט או מסיט אותו. מכאן נולד שמו: "החומר האפל".

קיימות ראיות רבות לקיומו של החומר האפל. כבר בסוף המאה ה-19 חזו מדענים את קיומם של גופים בחלל שאיננו מסוגלים לראות. הראיה הממשית הראשונה מיוחסת לפיזיקאי השוויצרי פריץ צוויקי (Zwicky), שגילה בראשית שנות ה-30 של המאה ה-20 פער בין המסה של כל הגופים המאירים בצביר הגלקסיות קוֹמָה (Coma) לבין המסה הדרושה כדי להסביר את התצפיות על תנועת הגלקסיות בצביר. הפער הזה, טען, נובע מקיומו של חומר בלתי נראה שכולל את רוב המסה בצביר. זהו החומר האפל.

תרומה משמעותית לאישוש קיומו של החומר האפל הגיעה בשנות ה-70 ממחקר שהובילה האסטרופיזיקאית האמריקאית היהודייה ורה רובין, שבדקה את הקשר בין מהירויות הסיבוב של כוכבים וגז בגלקסיות לבין המרחק שלהם ממרכז הגלקסיה. הציפייה הייתה שבשולי הגלקסיה, שם צפיפות החומר הרגיל קטנה מאוד, מהירות הסיבוב תקטן ככל שגוף יימצא רחוק יותר מהמרכז. הסיבה לתחזית זאת היא שכוח המשיכה נחלש ככל שמתרחקים ממרכז הכובד המושך, ומהירות הסיבוב של גוף תלויה ישירות בכוח המשיכה הפועל עליו.

בפועל התגלה כי מהירות הסיבוב נשארת קבועה כשמתרחקים מהמרכז. כדי להסביר איך זה ייתכן הוצעה האפשרות שהגלקסיות נמצאות בתוך מעין הילה של חומר אפל. ההילה הזאת מפצה על היחלשות כוח המשיכה במרחקים גדולים ממרכז הגלקסיה, שכן היא מגדילה את הכוח המושך.

אחת הראיות המרשימות לקיומו של חומר אפל היא התפלגות החומר בשני צבירי גלקסיות מיד לאחר שהתנגשו זה בזה. כשצבירי גלקסיות מתנגשים, הגז הבין כוכבי, המרכיב את רוב המסה הנראית בצביר, "מתחכך" בגז הבין כוכבי של הצביר השני ולכן מאט. אפשר לזהות את זה משום שהגז נמצא במצב פלזמה, כלומר טעון חשמלית, ולכן יוצר אינטראקציות חשמליות. הגלקסיות עצמן יוצרות זו עם זו רק אינטראקציה כבידתית, שהיא חלשה יותר באופן משמעותי מאינטראקציה חשמלית, לכן לא רואים האטה.

אולם הגלקסיות בצבירים הן פחות מעשירית מכלל המסה הנראית בצבירים, כך שאם החומר הנראה היה כל החומר בצביר בפועל, אזי היינו מצפים שמרכז הכובד של שני הצבירים יאט עם ענני הגז הבין-כוכבי ולא ימשיך עם הגלקסיות. אולם כשבוחנים את השפעת כוח הכבידה של שני הצבירים על האור סביבם מתברר כי מרכז הכובד דווקא ממשיך עם הגלקסיות בלי להאט.

נוכל להסביר את התצפית הזאת אם נניח שצבירי הגלקסיות נמצאים בתוך הילות של חומר אפל. מכיוון שחומר אפל יוצר רק אינטראקציה כבידתית ולכן לא "מתחכך" ולא מאט. ומכיוון שהחומר האפל אמור להיות הרבה יותר שכיח מהחומר הרגיל  בצבירים, מרכז הכובד של הצבירים ממשיך לנוע עם החומר האפל והגלקסיות. עד כה נחקרו כמה אירועים של התנגשות בין צבירי גלקסיות, שהמרשימה מביניהן היא ההתנגשות של צביר הקליע (Bullet) בצביר שכן.

התנגשות צבירי גלקסיות. באדום: התפלגות החומר הרגיל; בכחול: התפלגות החומר האפל | מקור: Science Photo Library
התנגשות צבירי גלקסיות. באדום: התפלגות החומר הרגיל; בכחול: התפלגות החומר האפל | מקור: Science Photo Library

להפריד בין האפל לטפל

על סמך הראיות האלה, ורבות נוספות, פיזיקאים רבים סבורים שהחומר האפל עשוי מחלקיק יסודי חדש שאינו מוכר למדע. החלקיק הזה אינו מקיים שום יחסי גומלין עם האור, וגם האינטארקציה שלו עם עצמו ועם חומר רגיל חלשה מאוד ומתמצה בעיקר בכבידה.

לפי המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה, החומר האפל מפוזר ביקום במעין רשת של הילות, שנוצרו ביקום הצעיר כשהחומר הרגיל היה עדיין בצורתו החלקיקית, לפני שנוצרו האטומים הראשונים. ההילות הללו נוצרו עקב קריסה של החומר האפל תחת הכבידה של עצמו, והיו זרז להיווצרותם של גלקסיות וכוכבים סביב מרכזי הכובד שיצרה הקריסה הזאת.

ההילות שנוצרו ביקום הצעיר היו זרז להתפתחות הכוכבים והגלקסיות | הדמיה: Science Photo Library
ההילות שנוצרו ביקום הצעיר היו זרז להתפתחות הכוכבים והגלקסיות | הדמיה: Science Photo Library

אמנם הראיות לקיומו של חומר אפל רבות ומגוונות, אך מדענים מחכים עדיין לגלות אותו בתצפית ישירה, ולא רק להסיק בעקיפין את קיומו על סמך השפעת הכבידה שלו על הסביבה. שלוש אסטרטגיות עיקריות נבדקות כעת לגילוי החומר האפל. שלושתן מתבססות על כך שלפי המודל הסטנדרטי אנו מצפים שהאינטראקציה בין חומר אפל לחומר רגיל, פרט לכבידה, תהיה חלשה ביותר אך לא אפסית.

לפי אחת הגישות, מדענים תרים אחרי קרינה עודפת שצפויה להגיע מאזורים בחלל שצפיפות החומר האפל בהם אמורה להיות גבוהה. עודף כזה עשוי לנבוע מהתפרקות של חלקיק חומר אפל או אִיוּן (אניהילציה) – תהליך שבו חלקיק פוגש אנטי-חלקיק מאותו סוג ושניהם נעלמים והופכים לקרינה. כתוצאה מתהליכים כאלה יכולה להיווצר קרינה של חלקיקים רגילים באנרגיות גבוהות מאוד.

גישה שנייה מנסה ליצור חומר אפל במאיצי חלקיקים, ממש כמו שגילו את בוזון היגס. כאן הגישה היא הפוכה. במאיצי חלקיקים אנו מצפים שדווקא חלקיקים רגילים יתפרקו באנרגיות גבוהות מאוד לחלקיקי חומר אפל. ולבסוף, הגישה השלישית מתבססת על ההנחה שאנו נעים בתוך הילת חומר אפל, כלומר חלקיקי חומר אפל נעים דרכנו כל הזמן. גלאים שנמצאים בכדור הארץ מנסים לזהות את האינטראקציות החלשות שלהם עם החומר הרגיל.

למרות הניסויים הרבים המנסים לגלות חומר אפל, עד כה איש לא הצליח בכך. הקושי העיקרי הוא לזהות את העדות הנדירה לקיומו מתוך שלל רעשי הרקע, כך שהמאמץ בתחום גלאי החומר האפל מתמקד כיום בשיפור יכולת ההפרדה של הגלאים בין העיקר – האות המתקבל מחומר אפל, לטפל – רעשי הרקע.

8 תגובות

  • א.עצבר

    איך מדברים על חומר אפל, ואפילו חומר מוחשי ואמיתי הוא חידה גדולה

    בעיית החומר החסר לא קיימת במציאות הפיזיקלית , כיוון שחומר אינו מושג מדעי. מושג מדעי צריך להיות כמותי, וצריך שיהיה לו מכשיר מדידה - אבל בעיקר צריך, שלאדם תהיה ידיעה טבעית המסוגלת להבחין בכמות שמדובר בה, כלומר בכמות של חומר.
    ומה מתברר ? שאין לו לאדם ידיעה טבעית המסוגלת להבחין בכמות של חומר.
    לעומת זאת אורך הוא מושג מדעי, מכיוון שיש לו לאדם ידיעה טבעית המסוגלת להבחין בכמות של אורך. אם ראובן יתבקש לבחור את העיפרון הקצר ביותר מתוך עפרונות רבים הנמצאים במגירה, הוא יידע מה לעשות. לכן יש מד אורך והוא סרגל פשוט.
    גם שטח ונפח הם מושגים מדעיים כמותיים, אבל אין צורך בהם. גם זמן הוא מושג מדעי כמותי, ולאדם יש ידיעה טבעית המבחינה בכמות של זמן בין כל שתי פעימות לב. ........ לכן יש מד זמן, והוא שעון פשוט.
    גם אנרגיה זה מושג מדעי כמותי, ולאדם יש ידיעה טבעית של כמות אנרגיה, על פי כמות העייפות שהוא חש בפעולת שריר . בפעולת שרירי הרגלים מטפסים 10 מדרגות ומתעייפים קצת, ואם מטפסים 100 מדרגות מתעייפים הרבה. בפעולת שריר מעייפת מותחים קפיץ במכון כושר ומתעייפים קצת , ואם נחזור על פעולה זו 20 פעמים נתעייף הרבה.....
    לכן יש מד אנרגיה, והוא קפיץ פשוט.
    בניגוד למושגים המדעיים אורך, זמן ואנרגיה, מושגי החומר והמסה שקיימים בתיאוריה של ניוטון - אינם מושגים מדעיים, ואין להם מכשירי מדידה. יש להדגיש כי מושג האנרגיה לא היה קיים בתקופת ניוטון, ואם הוא היה קיים, אין ספק שניוטון היה משתמש בו.
    אפשר לשלב את מושג האנרגיה עם השקפת ניוטון בדרך הבאה. אם נניח אבטיח על קפיץ המונח על פני האדמה, הוא יתכווץ ויישאר במצב מכווץ . קפיץ זה מכיל כמות של אנרגיה, וזוהי האנרגיה הפסיבית של אבטיח.
    אנרגיה פסיבית זה מושג מדעי, ולכל גוף ממשי על פני כדור הארץ, יש כמות מסוימת של אנרגיה פסיבית משלו. האנרגיה הפסיבית של גוף ממשי נובעת ממנו עצמו, והיא לא משתתפת בחוק המפורסם של שימור האנרגיה האקטיבית על שלל ההופעות שלה. (מכנית, חשמלית, כימית, תרמית, וכו')
    ראובן הניגש אל ערימה של אבטיחים מסוגל לבחור את האבטיח בעל הנפח הגדול ביותר, או בעל אנרגיה פסיבית הגדולה ביותר, כיוון שיש לו ידיעה טבעית של כמות נפח וכמות אנרגיה.
    לעומת זאת ראובן לא מסוגל להבחין באבטיח בעל המסה הגדולה ביותר, או בעל כמות החומר הגדולה ביותר, מכיוון שאין לו ידיעה טבעית המסוגלת להבחין בכמות של חומר, או בכמות של מסה. לכן חומר ומסה אינם מושגים מדעיים,
    יש לציין כי גם כוח משיכה אינו מושג מדעי, ואין לאדם ידיעה טבעית המסוגלת להבחין בכמות של כוח משיכה. מושגים מדעיים הם כמותיים ,ויש להם מכשירי מדידה, אבל אין מד חומר, אין מד מסה , ואין גם מד כוח משיכה.
    בנוסחה הניוטונית ..כוח = מסה כפול תאוצה רק התאוצה היא מושג מדעי, כיוון שיש בה מושגים מדעיים של מרחק וזמן. לכן, אי אפשר להסיק מסקנות של חומר חסר ביקום או חומר אפל מהנוסחה הניוטונית . ומאחר שמושג האנרגיה לא מופיע בהשקפה הניוטונית, אין לה יכולת לתאר את המציאות הפיזיקלית במלואה
    איינשטיין כבר השתמש במושג האנרגיה, יחד עם הרעיון שמסה נהפכת לאנרגיה, לכן גם בהשקפת איינשטיין יש מושג לא מדעי (מסה) .
    בהשקפה העצברית יש רק מושגים מדעיים, ובהם המושג הכמותי החדש של זמן פסיבי.
    ניתן להציג את הסיכום הבא.
    שני המושגים היסודיים בפיזיקה הניוטונית הם חומר לא מדעי, וכוח לא מדעי.
    שני המושגים היסודיים בפיזיקה של איינשטיין הם חומר לא מדעי, ואנרגיה .
    שני המושגים היסודיים בפיזיקה העצברית, הם אנרגיה וזמן פסיבי.
    א.עצבר
    5/2021

  • צבי סער

    ה"חומר האפל" איננו כלל אפל, אלא משום אי-הבנתנו את החומר

    ברור הוא, כי לאמיתו של דבר אין חומר "אפל" ביקום. הוא "אפל" - כביכול - משום שאצלנו בני האנוש קיימת מוגבלות מיבנית והכרחית בהבנת החומר כשהוא לעצמו, ומשום כך - מה שאיננו מובן לנו הוא "אפל". האפלה היא בהבנתנו, או ליצר דיוק אי-הבנתנו הניצחית והבלתי ניתנת להתגברות את מיבנה החומר, היקום, כשלעצמו.
    נתקלתי בבעיה זו בקרב אנשי המדע, בעת ביקורי במכון וייצמן לפני שנים, ביום ההרצאות הפתוחות לציבור, וAאלתי מרצה צעיר: מה יש בין גרעין האטום לאלקטרון (למשל) , והוא ענה : לא כלום, וואקום. ניסיתי להעמידו על טעותו היסודית, והוא ענה לי בקוצר רוח ובביטול. זהו מקור הבעייה בעולם אנשי המדע המדידתי, האמפירי, הרחוקים מהמדע הפילוסופי שהוא אם המדע ובו האמת הממשית, אף אם הדבר איננו נתון לאמפיריות.
    שנים רבות אני יודע על קיום החומר "האפל" בעיניכם אנשי המדע "הרגילים", כי אני יודע כי אין וואקום ואין ריק
    בין "חלקיקי" החומר, אלא הכל מלא בלא כל ריק - וואקום כביכול. אתם ממשיכים להיות כבולים בתפישותיכם
    היהירות אך המוגבלות ביכולת האנוש בהבנת החומר, המרחב, היקום. אני מבקש להתווכח עימכם לפני קהל,
    ולהפגין את מוגבלויותיכם וקביעותיכם היהירות אך השגויות מלכתחילה. גם בנושאים נוספים.
    נא צרו עמי קשר ישיר, ושילחו שליח מטעמכם לזמנני לוויכוח ציבורי, או לא-ציבורי: צבי סער, הוגה ועו"ד, המען: רח' העבודה 32 תל-אביב.
    21 בפברואר 2021
    zvi.saar2020@gmail.com
    (אני מדגיש ביקור אישי וישיר אצלי, לזימוני, כי מייל או דואר עלול להיעלם ולהימנע מלהגיע אליי..).

  • פפר

    עולם אן איזוטרופי

    שלום רב. לפי ניסויים שונים שבוצעו במאה הקודמת ברוסיה, התוצאות הראו שככל הנראה קיימת אן איזוטרופיות ביקום. יש היום מודל מטמטי שממנו נגזרת גיאומטריה שמצליח להכיל בתוכו את הבעיה של החומר האפל. זה נקרא גיאומטרית פינקסלר. יכול להיות שהפיתרון לביות נמצאה בגישה הזאת?

  • פפר

    חח

    כלומר אין צורך בחומר אפל. הפתרונות נמצאים בהסברים אחרים.

  • משה

    כלומר חומר אפל מורכב מחלקיקים שונים לחלוטין

    מכל מה שאנחנו מכירים?
    האם ייתכן שרוב החומר האפל דווקא מרוכז במרכזי הגלקסיות? או שהתצפיות מעלות שהוא מפוזר בכל הגליקסיה?
    והאם אנחנו צופים למצוא חומר אפל גם מחוץ לגלקסיות? האם למשל אפשר לחפש צביר גלקסיות שבו כולן סובבות מרכז כובד שאינו סמוך למרכז הכובד שלהן, כי יש גוף של חומר אפל שמשפיע על המסלול של כולן?

  • דניאל

    כן!

    הסברה הרווחת היא שמדובר במשהו שונה מכל דבר שאנו מכירים. לשאלתך האם רוב החומר האפל מרוכז במרכז הגלקסיה - אנחנו לא יודעים בדיוק כיצד החומר מפוזר אך באופן חד משמעי התפזרות החומר האפל גולשת לפחות עד (ואפילו מעבר) לגבול הגלקסיה אותו אנו רואים באור הנראה. אנחנו גם בהחלט מצפים כי החומר האפל נמצא מחוץ לגלקסיה אם כי בריכוזים נמוכים יותר. ולבסוף רוב המודלים מראים כי הגלקסיות התגבשו סביב ריכוזים של חומר אפל ולכן הצעתך לא יכולה להתקיים.

  • הרצל

    חוץ מחלקיקים חדשים, יש עוד אפשרויות

    יש עוד כמה אופציות שנחקרות במקביל לחלקיקים חדשים: כוח גרביטציה שבמרחקים גדולים משתנה לעומת מה שאנחנו מכירים כפונקציה הניוטונית, וגם אפשרות של חומר רגיל אבל שלא פולט אור, כלומר חורים שחורים. כיום האופציה של חורים שחורים מתחילה להיות יותר ויותר מעניינת עקב האפשרות לגלות את קיומם בשעה שזוגות של חורים שחורים מתמזגים וניתן לקלוט את הגלים שנפלטים. ממידע על התמזגות חורים שחורים ניתן יהיה להעריך כמה מהם קיימים בגלקסיות.

  • דניאל

    חורים שחורים

    הרעיון של חורים שחורים הוא אפשרות מעניינת. אך חשוב להדגיש שאם חורים שחורים הם החומר האפל לא ניתן להגיד שהם עשויים מחומר רגיל. לעומת חורים שחורים "רגילים" שנוצרו מכוכבים בסוף חייהם לאחר שהללו קרסו לחור שחור בעקבות כוח המשיכה של עצמם, החורים השחורים שמהווים חומר אפל (אם ישנם כאלו) נוצרו בראשית היקום, במפץ הגדול עצמו או שבריר שנייה לאחר מכן, ומליארדי שנים לפני שנצר הכוכב הראשון ביקום.