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
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
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.