ירייה באפלה: האם נפתרה תעלומת החומר האפל?

בעקבות הודעת צוות המחקר אמש, לפיה נמצאו עדויות חדשות לקיומו ואיתורו של החומר האפל, המרכיב 85% מהיקום, במוחם של רבים וודאי מתעוררת השאלה – מה הוא אותו החומר ומדוע אנו שבים ושומעים עליו בכל פעם. במסגרת מדור השאלה היומית מסביר ד"ר תומר וולנסקי: "עדיין מוקדם להסיק כי הצלחנו לאתר אותו"

אילו רק אפשר היה לצלם את החומר האפל (חדשות 2)

החומר האפל הוא מושג, מעט מסתורי, שעולה לכותרות בכל פעם שצוות מדענים מוצא עדויות חדשות, או מה שנדמה ככאלה, לקיומו. מעטים מאיתנו יודעים מה באמת עומד מאחוריו.

רוצים לקבל עדכונים נוספים? הצטרפו לפייסבוק רשת

מהו בעצם חומר אפל?

בערך שמונים וחמישה אחוזים מהחומר ביקום הוא לא חומר רגיל שאנחנו מכירים. איך אנחנו יודעים את זה? כל חומר, רגיל או אפל, מושפע מחוקי המשיכה. לכן, על פי תצפיות שונות, אנחנו יודעים שקיים חומר נוסף למרות שאנחנו לא מצליחים לראות אותו באופן רגיל.

יש כמה מאפיינים שחסרים - על פי חוקי המשיכה של ניוטון קצב הסיבוב של גרמי שמיים תלוי בכמות המסה ובמרחק מציר הסיבוב. ובכל זאת, כשבחנו את סיבובן של הגלקסיות על צירן, ראו שהמהירות לא בהכרח ירדה כתלות במרחק. כלומר, קיים עוד חומר שאנחנו לא רואים שגורם לגלקסיות הרחוקות לנוע במהירות. לפי קצב סיבוב הגלקסיות סביב מרכז הציר רואים שקיימת יותר מסה ממה שאנחנו רואים. ישנם עוד כמה ביטויים לעניין הזה. 

החומר האפל למעשה מפעיל כוחות משיכה על גרמי השמיים והגלקסיות, ובכך למעשה מחזיק את היקום כפי שהוא, ומשפיע בין היתר על קצב התפשטות היקום. הוא לא מאיר, ולכן הוא זכה לכינוי המפורסם. אנחנו יודעים מה הצפיפות שלו ביקום, אבל לא יודעים מה המסה שלו או אילו תכונות יש לו. זה בדיוק מה שאנחנו מחפשים כבר עשרות שנים - מדען בשם פריץ זוויקי היה הראשון להבין שמשהו חסר, כבר בשנות ה-30. מאז אנו במרדף אחרי החומר האפל.

וכיצד מתבצע ה"מרדף" אחריו?

יש כמה דרכים לחפש אותו - הדרך הראשונה היא בעזרת מאיצי חלקיקים בהם גורמים להתנגשות של חלקיקים באנרגיות גבוהות, ומההתנגשות, כך אנו מקיים, עשוי להיווצר חומר אפל. המשימה שלנו היא לחפש את ההתנגשויות המעניינות בין כל אלה שמתרחשות שם. דוגמה למאיץ שכזה הוא מאיץ החלקיקים הגדול בסֶרְן, שנמצא במנהרה עצומה באזור הגבול בין שוויץ וצרפת, באזור ז'נבה, ובו אותר לאחרונה חלקיק הבוזון היגס. יש שם 600 מיליון התנגשויות בשנייה, ואנחנו לא יכולים לעבד את כולן, כך שאנחנו מחפשים את ההתנגשויות המעניינות ביותר. בחלק מההתנגשויות הולכת חלק מהאנרגיה לאיבוד. במידה וחסרה אנרגיה ייתכן שנוצר חומר אפל שנעלם מהגלאי שלנו.

הדרך השנייה לחפש חומר אפל זה להסתכל על התוצרים שלו. מכיוון שיש בגלקסיה חומר אפל, מדי פעם שני חלקיקים שלו נפגשים ונעלמים - ובמקומם נוצר חומר רגיל. לדוגמה, יכולים להיווצר אלקטרון ופוזיטרון. כלומר חלקיק וחלקיק האנטי שלו, כשאנטי חלקיקים נחשבים נדירים מאוד. לכן הימצאותם עשויה להיות עדות להימצאותו של חומר אפל באזור. כמו כן, אנחנו מחפשים גם פוטונים במפגשים האלה, אור שמגיע מאיזורים בהם ישנה צפיפות גבוהה של חומר אפל, למשל במרכז הגלקסיה. את הניסויים האלה נוהגים לעשות בחלל כי שם התוצאות נקיות ומדויקות לאין שיעור.

ישנה גם דרך שלישית - שבה מטמינים מיכלים גדולים של חומר, מכניסים אותם עמוק מתחת לאדמה, ללא גורמים שמפריעים, לשם הקרינה הקוסמית לא מגיעה, ומדי פעם החומר האפל עובר דרכו בקצב מהיר. התקווה היא שמדי פעם חלקיק יעשה אינטראקציה עם הגלאי המותקן במקום. יש עשרות כאלה ברחבי העולם.

מה קרה בניסוי אתמול? האם באמת אותר החלקיק החמקמק?

הגילויים אתמול, מקורם בתחנת החלל הבינלאומית ובלווין שצירפו אליה לפני כשנה וחצי. מדובר בניסוי שדומה לאופציה השנייה, כלומר, ניסיון לאתר שטף של אנטי חלקיקים שיעיד על קיומו של החומר האפל. זה לא הניסוי הראשון שעושה את זה ו"מגלה" כביכול חומר אפל.

גם שם מתבצעים ניסויים. תחנת החלל הבינלאו (נאס"א)

הגילויים שנמצאו שם איששו ניסויים קודמים שמצאו נתון מפתיע, ומעיד על כמות אנטי-חומר גדולה מזו שהיינו מצפים לראות בגלקסיה שלנו. הניסוי הראשון שהראה מסקנה דומה נערך כבר ב-2008, והיו עדויות גם אחר כך, אבל הניסוי הפעם היה מדויק בהרבה.

האם אנחנו בטוחים שהפעם מדובר בחומר האפל?

לצערנו, לא. יש המון גורמים אחרים בשמיים שיכולים להסביר את שטף הפוזיטרונים. לדוגמה, אובייקטים שנקראים פולסרים. פולסר הוא כוכב ניוטרונים לכן השטף מגיע מאזור מסוים בשמים, לעומת החומר האפל שנמצא בכל השמיים. אנחנו מנסים למדוד את הכיווניות הזו, אבל עד כה, ללא הרבה הצלחה.

והאם יש לנו מושג היכן הוא נמצא? רק בחלל?

בגלקסיה שלנו יש חומר רגיל וחומר אפל. גם דרכנו, אם באמת קיים חומר כזה, עוברים מיליוני חלקיקי חומר אפל כל שנייה ואנחנו אפילו לא מרגישים זאת. אחת לכמה זמן ייתכן שחלקיק כזה באמת מתנגש בנו ובינינו. בגלקסיה שלנו יש על פי התאוריה חומר אפל בכל מקום. הוא לא מגיב עם אור ועושה אינטראקציות כל כך נמוכות אינטראקציות כל כך חלשות שקשה לגלות אם הוא שם. אנחנו יודעים רק נתון אחד על החומר האפל-מהי הצפיפות שלו ביקום. לפי שעה,עדיין חסרה החתיכה שתשלים את הפאזל, וזאת על אףכמות הניסויים וכמות השנים שהשקיעו בנושא.

מדוע אנחנו מחפשים אותו בכזו עקשנות? נוכל להשתמש בו?

זה 85% מהחומר. קשה לחזות איך טכנולוגיות מתפתחות,אבל כשאנשים עוסקים בניסויים, המוטיבציה היא לא השימוש, אלא ההבנה של היקום. כשגילו את האלקטרון אף אחד לא חשב על השימוש כבר בהתחלה. ועוד יותר מכך, הניסויים בסֶרן הביאו גם לפיתוח האינטרנט, כאמצעי תקשורת בין המדענים. קשה לדעת מה יהיה הפיתוח הבא של סדרת הניסויים הזו.

ד"ר תומר וולנסקי הוא מרצה בכיר בחוג לפיזיקה של חלקיקים בבית הספר לפיסיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל-אביב. ביום רביעי הקרוב יוענק לו פרס קריל להצטיינות במחקר מדעי מטעם קרן וולף.