החיפוש אחר חומר אפל -- ומה מצאנו עד כה

בערך 85 אחוז ממסת היקום הוא "חומר אפל" -- חומר מסתורי שלא ניתן להבחין בו ישירות אך בעל השפעה אדירה על הקוסמוס. מה הוא בדיוק החומר המוזר הזה ומה הקשר שלו אל הקיום שלנו?
האסטרופיזיקאית ריסה וקסלר חוקרת מדוע החומר האפל עשוי להיות המפתח להבין איך נוצר היקום -- ומשתפת איך פיזיקאים במעבדות מסביב לעולם מעלים דרכים יצירתיות ללמוד אותו.

חשבתם פעם מה היה קורה

אם העולם היה מעט שונה?

איך החיים שלכם היו שונים,

אם הייתם נולדים לפני 5,000 שנה,

במקום עכשיו?

איך ההיסטוריה הייתה שונה,

אם היבשות היו בקווי רוחב שונים,

או איך החיים במערכת השמש היו מתפתחים,

אם השמש הייתה גדולה יותר בעשרה אחוז.

ובכן, לשחק כך עם אפשרויות כאלו,

הוא מה שאני עושה למחייתי,

אך עם היקום כולו.

אני יוצרת מודלים של יקומים במחשב.

יקומים ממוחשבים,
שיש להם נקודות התחלה שונות,

ושעשויים מכמויות שונות, של חומרים שונים.

ואז אני משווה את היקומים האלה, לשלנו.

כדי לראות ממה הוא עשוי, ואיך הוא התפתח.

התהליך הזה של בחינת מודלים,
עם מדידות של השמיים,

לימד אותנו הרבה על היקום עד כה.

אחד הדברים המוזרים ביותר שלמדנו,

הוא שרוב החומר ביקום,

עשוי ממשהו אחר לגמרי ממכם וממני.

אך בלעדיו,

היקום כפי שאנו מכירים אותו, לא היה קיים.

כל דבר שאנו יכולים לראות עם טלסקופים,

הוא בסך-הכל 15% ממסת היקום.

כל השאר, 85% ממנו,

לא פולט או קולט אור.

אנו לא יכולים לראות אותו בעיניים שלנו,

אנו לא יכולים לזהות אותו עם גלי רדיו,

או גלי מיקרו או כל סוג אחר של אור.

אבל אנחנו יודעים שהוא שם,

בגלל ההשפעה שלו על מה שאנו מסוגלים לראות.

זה קצת כמו,

אם הייתם רוצים למפות את פני כדור-הארץ

ואת כל מה שעליו,

באמצעות התמונה הזו
של כדור-הארץ מהחלל בלילה.

ישנם רמזים מהיכן מגיע האור,

אך יש המון שאתם לא יכולים לראות,

החל מאנשים, לרכסי הרים.

ועליכם להסיק מה נמצא שם
מהרמזים המעטים הללו.

אנו קוראים לדבר הבלתי-נראה הזה "חומר אפל".

עכשיו, הרבה אנשים שמעו על חומר אפל,

אך אפילו אם שמעתם עליו,

הוא בוודאי נשמע מופשט,

רחוק, סביר להניח שאפילו לא רלוונטי.

ובכן, הדבר המעניין הוא,

החומר האפל נמצא סביבנו,

וקרוב לוודאי שממש כאן.

למעשה, החלקיקים של החומר האפל,

כנראה עוברים דרך גופכם ברגע זה.

כשאתם יושבים בחדר הזה.

מכיוון שאנו בכדור-הארץ,

וכדור-הארץ סובב סביב השמש,

והשמש נעה לאורך הגלקסיה שלנו,

במהירות של 800 אלף קמ"ש.

אך החומר האפל אינו מתנגש בנו,

הוא עובר דרכינו.

אז איך אנחנו מגלים יותר עליו?

מה הוא,

ומה הקשר שלו אל הקיום שלנו?

ובכן, על מנת לגלות איך נוצרנו,

עלינו קודם כל לגלות
איך הגלקסיה שלנו נוצרה.

זו תמונה של הגלאקסיה שלנו,
שביל החלב, היום.

איך היא נראתה לפני 10 מיליארד שנה

או איך היא תיראה עוד 10 מיליארד שנה?

מה לגבי הסיפורים,

של מאות מיליוני גלקסיות אחרות

שכבר מיפינו, בסקרים גדולים של השמיים?

איך ההיסטוריה שלהן תהיה שונה,

אם היקום היה עשוי ממשהו אחר,

או אם היה בו יותר או פחות חומר?

אז הדבר המעניין במודלים של היקומים הללו,

הוא שהם מאפשרים לנו
לבחון את האפשרויות האלה.

בואו נחזור לרגע הראשון של היקום --

רק חלקיק שניה אחרי המפץ הגדול.

ברגע הראשון הזה,

לא היה חומר כלל.

היקום התרחב מהר מאוד.

ומכניקת הקוונטים אומרת לנו,

שחומר נוצר, ונהרס,

כל הזמן, בכל רגע נתון.

בזמן הזה, היקום התרחב כל-כך מהר,

שהחומר שנוצר לא יכול היה להיהרס.

ולכן אנחנו חושבים שכל החומר,
נוצר בזמן הזה.

גם החומר האפל,

וגם החומר הרגיל, שמרכיב אותי ואתכם.

עכשיו, בואו נלך מעט קדימה,

לזמן אחרי שהחומר נוצר,

לאחר שפרוטונים וניוטרונים נוצרו,

אחרי שמימן נוצר,

בערך 400,000 שנים אחרי המפץ הגדול.

היקום היה לוהט ודחוס, ומאוד חלק,

אך לא חלק לגמרי.

התמונה הזו, שנלקחה באמצעות
טלסקופ חלל הנקרא לוויין פלאנק,

מראה לנו את הטמפרטורה של היקום

בכל הכיוונים.

ומה שאנו רואים

הוא שישנם איזורים שהיו חמים יותר,

ודחוסים יותר מאחרים.

הנקודות בתמונה הזו,

מייצגות איזורים בהם היה פחות או יותר
מסה ביקום הקדום.

הנקודות האלו גדלו בגלל כוח הכבידה.

היקום התרחב והפך לדחוס פחות,

לאורך 13.8 מיליארד שנה.

אבל כוח הכבידה עבד קשה, בנקודות האלה,

היכן שהייתה קצת יותר מסה,

ומשך יותר ויותר מסה, אל אותם איזורים.

עכשיו, קשה קצת לדמיין את כל זה,

אז תנו לי להראות לכם על מה אני מדברת.

המודלים הממוחשבים שציינתי,
מאפשרים לנו לבחון את הרעיונות האלה,

אז בואו נצפה באחד מהם.

הסרט הזה, שנוצר על-ידי קבוצת המחקר שלי,

ממחיש לנו מה ארע ליקום
אחרי רגעיו הראשונים.

אתם רואים, היקום התחיל די חלק,

אך ישנם כמה איזורים

בהם היה קצת יותר חומר.

כוח הכבידה הופעל והביא עוד ועוד מסה,

אל תוך הנקודות הללו
שהתחילו עם קצת יותר עודף.

במשך הזמן,

מתקבל מספיק חומר במקום אחד,

עד שגז המימן,

שהיה תחילה מעורבב היטב עם חומר אפל,

מתחיל להתנתק ממנו,

מתקרר, יוצר כוכבים,

ומתקבלת גלאקסיה קטנה.

במשך הזמן, לאורך מיליארדים
על גבי מיליארדים של שנים,

הגלאקסיות הקטנות האלה מתנגשות אחת בשניה,

ומתמזגות לגלקסיות גדולות יותר,

בדומה לגלקסיה שלנו, שביל החלב.

עכשיו, מה קורה אם אין לכם חומר אפל?

אם אין לכם חומר אפל,

הכתמים האלה לעולם לא מצטברים מספיק.

מסתבר שדרוש פי מיליון ממסת השמש,

באיזור דחוס אחד,

ליצירת כוכבים.

וללא חומר אפל,

לעולם לא מתקבלת מספיק מסה במקום אחד.

אז הנה, אנו מסתכלים על שני יקומים,
אחד ליד השני.

באחד מהם ניתן לראות,

שדברים מצטברים במהירות.

ביקום הזה,

מאוד קל ליצור גלקסיות.

ביקום השני,

הדברים שמתחילים כהצטברויות קטנות,

נשארים מאוד קטנים.

לא הרבה קורה.

ביקום הזה, לא תקבלו את הגלקסיה שלנו.

או כל גלקסיה אחרת.

לא תקבלו את שביל החלב,

לא תקבלו את השמש,

לא תקבלו אותנו.

אנחנו פשוט לא היינו מתקיימים, ביקום הזה.

אוקיי, אז הדבר המשוגע הזה, חומר אפל,

הוא רוב מסת היקום,

הוא עובר דרכינו ממש עכשיו,
לא היינו מתקיימים בלעדיו.

מה הוא?

ובכן, אין לנו מושג.

(צחוק)

אך יש לנו המון ניחושים מושכלים,

והמון רעיונות לאיך לגלות עוד.

אז, רוב הפיזיקאים חושבים
שהחומר האפל הוא חלקיק,

דומה בהמון מובנים לחלקיקים תת-אטומיים
שאנו מכירים,

כמו פרוטונים וניוטרונים ואלקטרונים.

מה שהוא לא יהיה,

הוא מתנהג בצורה דומה להם
ביחס לכוח המשיכה.

אך הוא אינו פולט או קולט אור,

והוא עובר הישר דרך חומר רגיל,

כאילו שהוא אינו שם כלל.

אנחנו רוצים לדעת איזה חלקיק זה.

לדוגמא, כמה כבד הוא?

או האם משהו מתרחש כלל
במפגש בינו לבין חומר רגיל?

לפיזיקאים יש המון רעיונות מעולים
למה הוא יכול להיות,

הם מאוד יצירתיים.

אך זה מאוד קשה,

מכיוון שהרעיונות הם רבים ושונים זה מזה.

אולי הוא קטן כמו
החלקיק התת-אטומי הקטן ביותר,

או שהוא יכול להיות גדול
כמו מסה של 100 שמשות.

אז, איך נגלה מה זה?

ובכן, לפיזיקאים ואסטרונומים,

יש הרבה דרכים לחפש אחר חומר אפל.

אחד הדברים שאנו עושים הוא
לבנות קולטנים רגישים,

במכרות תת-קרקעיים עמוקים,

מחכים לאפשרות,

שחלקיק חומר אפל,
העובר דרכנו ודרך כדור-הארץ,

יתנגש בחומר דחוס יותר,

וישאיר אחריו עקבות כלשהן.

אנחנו מחפשים חומר אפל בשמיים,

בשביל הסיכוי שחלקיקי חומר אפל

יתנגשו אחד בשני

ויצרו אור בעל אנרגיה גדולה אותו נוכל לראות

בעזרת טלסקופים מיוחדים לקרני גאמה.

אנחנו אפילו מנסים ליצור חומר אפל
כאן בכדור-הארץ,

על ידי ריסוק חלקיקים אחד בשני
ובוחנים מה קורה,

באמצעות מאיץ החלקיקים הגדול בשְׁוַויְץ,

עכשיו, עד עכשיו,

כל הניסויים הללו, לימדו אותנו הרבה,

על מה החומר האפל הוא לא.

(צחוק)

אבל עוד לא, על מה הוא כן.

היו הרבה רעיונות טובים
על מה החומר האפל עשוי להיות,

שהניסויים הללו היו מראים.

והם לא הראו אותם עדיין,

אז עלינו להמשיך לחפש ולחשוב טוב יותר.

דרך נוספת לקבל רמז על מהו חומר אפל,

הוא לימוד גלאקסיות.

כבר דברנו על כך,

שהגלקסיה שלנו ורבות אחרות
אפילו לא היו פה,

בלי החומר האפל.

המודלים הללו חוזים גם כן

דברים רבים אחרים על גלאקסיות:

איך הן מופצות ביקום,

איך הן זזות,

איך הן מתפתחות עם הזמן.

ואנו יכולים לבחון את התחזיות הללו
באמצעות תצפיות של השמים.

אני אתן לכם שתי דוגמאות

לסוג הזה של מדידות שאנו
יכולים לבצע עם גלקסיות.

הראשונה היא שאנו יכולים למפות
את היקום עם גלקסיות.

אני חלק מחקר הנקרא חקר החומר האפל,

שייצר את מפת היקום הגדולה ביותר עד כה.

מדדנו את מיקומן וצורתן של
100 מיליון גלקסיות,

יותר משמינית השמיים.

והמפה הזו מראה לנו את כל החומר,
הקיים באזור הזה של השמיים,

שניתן להצביע עליו בגלל האור המתעוות
מאותן 100 מיליון גלקסיות.

האור הזה מתעקל מכל החומר הזה

שנמצא בינינו לבין הגלקסיות האלה.

כוח המשיכה של החומר הזה גדול מספיק
בשביל לעקם את השביל של האור.

ומתקבלת התמונה הזו.

מפות מסוג זה

יכולות לומר לנו כמה חומר אפל ישנו,

הן גם אומרות לנו היכן הוא נמצא

ואיך הוא משתנה לאורך זמן.

אז אנו מנסים ללמוד ממה היקום עשוי,

בסדרי גודל הגדולים ביותר.

מתברר, כי הגלקסיות הקטנות ביותר ביקום,

מספקות חלק מהרמזים הטובים ביותר.

מדוע זה כך?

הנה שתי דוגמאות של יקומים ממודלים

עם שני סוגים שונים של חומר אפל.

שתי התמונות מציגות איזור

סביב גלקסיה כמו שביל החלב.

ואתם יכולים לראות שיש הרבה חומר אחר סביבה,

הצטברויות קטנות.

עכשיו, בתמונה שמימין,

חלקיקי החומר האפל נעים לאט יותר
מהחלקיקים בתמונה משמאל.

אם אותם חלקיקי חומר אפל
נעים ממש מהר,

אזי כוח הכבידה בהצטברויות קטנות
אינו חזק מספיק

על מנת להאט את החלקיקים המהירים.

והם ממשיכים לנוע.

הם לעולם לא קורסים
אל תוך ההצטברויות הקטנות.

אז לבסוף ישנן פחות נקודות כאלה,
מאשר ביקום מימין.

אם אין הצטברויות קטנות,

מתקבלות פחות גלקסיות קטנות.

אם תביטו מעלה אל השמיים הדרומיים,

ניתן למעשה לראות שתיים
מהגלאקסיות הקטנות האלה,

הגדולות ביותר מבין הגלקסיות הקטנות הסובבות
את שביל החלב שלנו,

ענן מגלן הגדול וענן מגלן הקטן.

בשנים האחרונות,

גילינו המון גלקסיות, קטנות אף יותר.

זו דוגמה לאחת מהן,

שגילינו באמצעות אותו מחקר חומר אפל,

בו השתמשנו כדי ליצור מפות של היקום.

הגלקסיות הקטנטנות האלה,

חלקן קטנות מאוד.

לחלקן יש רק כמה מאות כוכבים,

בהשוואה לכמה מאות מיליארדי כוכבים
בשביל החלב שלנו.

אז זה הופך אותן לקשות מאוד לגילוי.

אך בעשור האחרון,

מצאנו מקבץ שלם שלהן.

אנו עכשיו מכירים כ 60 מהגלקסיות
הקטנות האלה,

שחגות סביב שביל החלב שלנו.

והחבר'ה הקטנים הללו
הם רמזים גדולים לחומר אפל.

מכיוון שרק הקיום של הגלקסיות
האלה מספר לנו,

שהחומר האפל לא נע מאוד מהר,

ולא הרבה קורה כאשר הוא פוגש בחומר רגיל.

בכמה שנים הבאות,

אנו עומדים ליצור מפות מדוייקות
הרבה יותר של השמיים.

והן יעזרו לנו ללטש את הסרטים שלנו,

של כל היקום והגלקסיה.

פיזיקאים עורכים בנוסף גם ניסויים חדשים,
רגישים יותר,

כדי לנסות לתפוס, סימן כלשהו לחומר אפל,
במעבדות שלהם.

חומר אפל עודנו תעלומה גדולה.

אבל זהו זמן מרגש מאוד לעבוד עליה.

יש לנו הוכחות ברורות לקיומו.

מגודלן של הגלקסיות הקטנות ביותר,

לקנה המידה של היקום כולו.

האם באמת נמצא אותו ונגלה מה הוא?

אין לי מושג.

אבל זה הולך להיות מאוד כיף לגלות.

יש לנו המון אפשרויות לגילוי,

ואנו בוודאות נלמד יותר עליו
ועל מה שהוא עושה

ועל מה שהוא אינו.

ללא קשר לאם נמצא את החלקיק הזה בקרוב,

אני מקווה ששכנעתי אתכם

שהתעלומה הזו למעשה מאוד קרובה אלינו.

החיפוש אחר חומר אפל

עשוי להיות המפתח להבנה
חדשה לגמרי של פיזיקה

ומקומנו ביקום.

תודה-רבה.

(מחיאות כפיים)