תיאוריה חדשה בנושא חומר אפל ואנרגיה אפלה

לא ניתן לחזות ישירות בחומר אפל ולא באנרגיה כהה, אך ידוע שהם קיימים בגלל השפעותיהם על עצמים סביבם. לדוגמה, בעוד שאינו פולט או משקף אור, חומר אפל יכול לכופף אור סביבו.

לפני מאה בדיוק, בערב בשנת 1918, רשם הפיזיקאי הנודע אלברט איינשטיין רעיון בדפי המחברת שלו. רעיון זה יכול להיות המפתח לפיתרון אחת התעלומות הגדולות והחמקמקות ביותר בכל הפיזיקה: זה של חומר אפל ואנרגיה אפלה. יחד הם מהווים מעל 95% מהיקום, פועלים באופן בלתי נראה לעוטף גלקסיות וממשיכים בבת אחת להרחיב את היקום שלנו בקצב מואץ, ומבריחים אותנו ממערכות הכוכבים הסמוכות ולעתיד עם פערים גדולים.

הרעיון שעליו כתב איינשטיין היה התאמה לתורת היחסות הכללית בה חלל ריק יהפוך למסה שלילית הנעת תחת השפעת כוח הכבידה. המונים שליליים אלה יאכלסו מרחב בין-כוכבי. אבל רעיון זה התגלה כדרך להסביר את הקבוע הקוסמולוגי - או את מה שאינשטיין התייחס אליו כטעות הגדולה ביותר בחייו. בתקופה בה נוצר הקבוע הקוסמולוגי, הייתה זו אמונה מקובלת כי היקום סטטי. כלומר, זה לא התרחב ולא התכווץ. אבל אם זה היה נכון, משהו היה צריך להיות כנגד כוח הכבידה כדי למנוע את היקום להתמוטט על עצמו. כך נולד הקבוע הקוסמולוגי עם תכונות אנטי-גרביט.

כיום אנו מבינים שהיקום אינו סטטי וכי הוא ממשיך להתרחב, וכך הקבוע הקוסמולוגי קיבל משמעות חדשה. הוא מייצג אנרגיה אפלה בתוך CDM למבדה, המודל הנוכחי והמקובל ביותר שלנו של היקום. התיאוריה החדשה ביותר על חומר אפל ואנרגיה אפלה אינה עומדת בסתירה למודל הסטנדרטי ובמקום זאת בונה את הפתק שאיינשטיין עשה לעצמו לפני כל אותן שנים.

התיאוריה, שנוצרה על ידי האסטרופיזיקאי ג'יימי פרנס מאוניברסיטת אוקספורד, מאחדת חומר אפל ואנרגיה אפלה לחומר חד-פעמי המכונה נוזל כהה. הנוזל הכהה עשוי ממונים שליליים שיש להם כוח משיכה שלילי. עם חומר חיובי, נורמלי וכוח כוח משיכה חיובי, חפצים מושכים זה את זה. אבל עצמים בעלי מסה שלילית היו דוחים את החומר כך שדחיקת המסה השלילית ממך למעשה גרמה לכך שהוא יתקרב ולא רחוק יותר. אך פירוש הדבר גם ששני חלקיקי מסה שליליים ידחו זה את זה, תופעה הנוגדת את היחסות הכללית. מאפיין זה של דחיה אינו מגובה בשום משוואות מתמטיות והוא פשוט תוספת שפרנס נעשה על סמך האינטואיציה שלו. עם זאת, זה מכריע להשערה שלו.

קבוע האבל הוא הקצב בו היקום מתרחב, אך הוא שונה תלוי היכן מודדים. היקום הקרוב סביבנו מתרחב בקצב של 45.6 מיילים לשנייה (73.5 קמ

נוזל כהה זה יעזור להסביר את היווצרותם של הילות של חומר אפל סביב הגלקסיות. כמו שהם, הגלקסיות מסתובבות כל כך מהר שהכוכבים לעבר האזורים החיצוניים צריכים להתגרש ולהתפזר ביקום. הסיבה לכך היא שיש פחות השפעה על כוח הכבידה ככל שמתרחק ממרכז הגלקסיה ומותיר כוכבים בפאתי להסתובב מהר יותר ולהתפזר. אך חומר אפל מאפשר לגלקסיות להיווצר שכן הוא יוצר "הילה" בלתי נראית סביב המבנה. מערכת השמש שלנו עוברת דרך חומר אפל זה במהירות של 230 מיילים (230 קמ"ש) בשנייה, ותופסת אותו יותר כרוח בלתי ניתנת לגילוי ומהירה בתנועה.

אולם פיזיקאים ספקנים לגבי התיאוריה של פרנס מסיבות רבות, אחת מהן היא צפיפות היקום ככל שהיא מתרחבת. אם אנרגיה אפלה הייתה עשויה ממסה שלילית, צפיפותה הייתה פוחתת ככל שהיקום מתרחב ואילו מחקרים מראים כי צפיפות היקום נותרה זהה לגידולו. כדי לענות על בעיה זו, פארנס שואב רעיון מבוסס אחר המכונה "יצירת חומר". זה אומר שהחומר נוצר כל הזמן ברחבי היקום, מאכלס אותו כל הזמן בהמונים שליליים יותר ויותר. ההמונים השליליים החדשים שנוצרו יחליפו את אלה שנעלמים, תוך שמירה על הצפיפות קבועה. אבל זה בתורו מוביל לבעיה נוספת. על פי מכניקת הקוונטים, הכל היה הופך לא יציב אם ניתן ליצור מסה שלילית בוואקום של החלל. ככל שנוכל לדעת, זה לא המקרה.

אמנם אין שום דבר שמדעי מונע את המסה השלילית מקיום היקום, אך הוא מעולם לא נצפה מחוץ למעבדה. מדענים אינם בטוחים איזה מנגנון טבעי יאפשר להתקיים מסה שלילית, אך מחקר שמתרחש ב- CERN וטכנולוגיה עתידית כמו מערך הקילומטר (פרויקט לבניית טלסקופ הרדיו הגדול בעולם) יכול לעזור לתת לתפיסה של פרנס בסיס איתן יותר. לעת עתה זה מבוסס על כמה רעיונות ישנים ומחקרים ראשוניים המשתמשים בסימולציות מחשב ומתמטיקה.

רושם של אומן כיצד ייראה מערך הקילומטר המרובע בסיום. הבנייה אמורה להתחיל בשנת 2019 וכאשר התפעול יהיה רגיש פי 50 מכל מכשיר רדיו אחר.

עד כה, התיאוריה הבולטת ביותר על חומר אפל מציעה כי מדובר בחלקיק אקזוטי שאינו מתקשר עם אור אך עדיין מפעיל כוח משיכה על עצמים סביבו. ניסויים ב- Collider Hadron Collider ממשיכים לחפש חלקיקים נדירים - שאחד מהם עשוי להיות אחראי לחומר אפל. מדענים אחרים מאמינים כי כוח המשיכה בסולם גדול יותר שונה מאוד מכוח הכובד אליו אנו רגילים בקנה מידה קטן יותר וכדי לפתור חומר אפל אנו צריכים להסתכל על כוח הכבידה מנקודת מבט אחרת. באשר לרעיונות על אנרגיה אפלה, ובכן, מדובר בתעלומה גדולה עוד יותר שאנו נאבקים בהגדרת.

אמנם התיאוריה של פארנס מציעה שאנחנו סירות של חומר חיובי המגלשות מעל ים נוזל חשוך, אך היא גם מושכת בגלל הסימטריה שהיא מספקת. שתיים מהתעלומות הגדולות עיבדו לאחת והיקום מציג חיוביות ושליליות מאוזנת. את האוקיאנוס העצום הזה של האנרגיה האפלה והחומר האפל שחמק אותנו כל כך הרבה זמן ניתן להסביר על ידי סימן מינוס קטן ואלגנטי.

הדגמים שפרנס יצרה עד כה מבטיחים; הם מהווים התפשטות מתמשכת של היקום ומספר מאפיינים של סיבוב גלקטי. אסטרופיסיקאים עמיתים מזהירים כי חשוב לשמור על ראש פתוח כשמדובר בתיאוריות חדשות. הם יכולים להיות מוזרים ויכולים להראות כאילו מאתגרים את התפיסות המדעיות המבוססות שלנו, אך רבות מהתובנות הגדולות ביותר שלנו על היקום החלו בדיוק כך - בתחושת חוסר אמון.