שאלת מקור היקום, עברו ועתידו מדאיגה אנשים מאז ומתמיד. במשך מאות שנים, תיאוריות עלו והופרכו, המציעות תמונת העולם על סמך נתונים ידועים. הלם מהותי בעולם המדעי היה תורת היחסות של איינשטיין. היא גם תרמה תרומה עצומה להבנת התהליכים היוצרים את היקום. עם זאת, תורת היחסות לא יכלה לטעון שהיא האמת האולטימטיבית, שאינה דורשת תוספות. שיפור הטכנולוגיות אפשר לאסטרונומים לגלות תגליות שלא ניתן היה להעלות על הדעת בעבר שדרשו בסיס תיאורטי חדש או הרחבה משמעותית של הוראות קיימות. תופעה כזו היא החומר האפל. אבל דבר ראשון.
מקרים של ימים עברו
כדי להבין את המונח "חומר אפל" נחזור לתחילת המאה הקודמת. באותה תקופה שלט הרעיון של היקום כמבנה נייח. בינתיים, תורת היחסות הכללית (GR) הניחה שבמוקדם או במאוחר כוח המשיכה יוביל ל"הדבקה" של כל אובייקטי החלל לכדור בודד, זה יקרה ככהשנקרא קריסת כבידה. אין כוחות דחייה בין עצמים בחלל. משיכה הדדית מפצה על ידי כוחות צנטריפוגליים היוצרים תנועה מתמדת של כוכבים, כוכבי לכת וגופים אחרים. באופן זה, האיזון של המערכת נשמר.
כדי למנוע את הקריסה התיאורטית של היקום, איינשטיין הציג קבוע קוסמולוגי - ערך שמביא את המערכת למצב הנייח הדרוש, אך בו-זמנית למעשה מומצא, ללא בסיס ברור.
יקום מתרחב
החישובים והתגליות של פרידמן והאבל הראו שאין צורך להפר את המשוואות ההרמוניות של תורת היחסות הכללית בעזרת קבוע חדש. הוכח, וכיום עובדה זו כמעט ללא ספק, שהיקום מתרחב, פעם הייתה לו התחלה, ואי אפשר לדבר על נייחות. התפתחות נוספת של הקוסמולוגיה הובילה להופעתה של תיאוריית המפץ הגדול. האישור העיקרי להנחות החדשות הוא העלייה הנצפית במרחק בין גלקסיות עם הזמן. מדידת מהירות ההרחקה זו מזו של מערכות חלל שכנות היא שהובילה להיווצרות ההשערה שיש חומר אפל ואנרגיה אפלה.
הנתונים אינם תואמים לתיאוריה
פריץ זוויקי ב-1931, ואחר כך יאן אורט ב-1932 ובשנות ה-60, ספרו את מסת החומר של הגלקסיות בצביר מרוחק ואת היחס שלו למהירות סילוקן זו מזו. מדי פעם הגיעו מדענים לאותן מסקנות: כמות החומר הזו לא מספיקה כדי שכוח המשיכה שנוצר ממנה יוכל להחזיקיחד גלקסיות הנעות במהירויות כה גבוהות. צוויקי ואורט הציעו שיש מסה נסתרת, החומר האפל של היקום, שאינה מאפשרת לעצמי חלל להתפזר בכיוונים שונים.
עם זאת, ההשערה הוכרה על ידי העולם המדעי רק בשנות השבעים, לאחר ההכרזה על תוצאות עבודתה של ורה רובין.
היא בנתה עקומות סיבוב המדגימות בבירור את התלות של מהירות התנועה של החומר של הגלקסיה במרחק שמפריד בינה לבין מרכז המערכת. בניגוד להנחות התיאורטיות, התברר כי המהירויות של הכוכבים אינן יורדות ככל שהם מתרחקים מהמרכז הגלקטי, אלא גדלות. התנהגות כזו של המאורות יכולה להיות מוסברת רק על ידי נוכחות של הילה בגלקסיה, המלאה בחומר אפל. אסטרונומיה, אם כן, מתמודדת עם חלק בלתי נחקר לחלוטין של היקום.
מאפיינים והרכב
כהה חומר מסוג זה נקרא כי לא ניתן לראות אותו בשום אמצעי קיים. נוכחותו מזוהה על ידי סימן עקיף: חומר אפל יוצר שדה כבידה, תוך שהוא אינו פולט גלים אלקטרומגנטיים לחלוטין.
המשימה החשובה ביותר שעלתה בפני מדענים הייתה לקבל תשובה לשאלה ממה מורכב העניין הזה. אסטרופיזיקאים ניסו "למלא" אותו בחומר הבאריוני הרגיל (חומר הבריון מורכב מפרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים שנחקרו פחות או יותר). ההילה האפלה של הגלקסיות כללה כוכבים קומפקטיים, מקרינים חלש מהסוגגמדים חומים וכוכבי לכת ענקיים קרובים לצדק במסה. עם זאת, הנחות אלו לא עמדו בבדיקה. חומר בריוני, מוכר וידוע, אינו יכול אפוא למלא תפקיד משמעותי במסה הנסתרת של הגלקסיות.
היום, פיזיקה מחפשת רכיבים לא ידועים. המחקר המעשי של מדענים מבוסס על תורת העל-סימטריה של המיקרוקוסמוס, לפיה לכל חלקיק ידוע יש זוג על-סימטרי. אלו הם המרכיבים את החומר האפל. עם זאת, עדיין לא הושגה עדות לקיומם של חלקיקים כאלה, אולי זה עניין לעתיד הקרוב.
אנרגיה אפלה
גילוי של סוג חדש של חומר לא סיים את ההפתעות שהכין היקום עבור מדענים. בשנת 1998 הייתה לאסטרופיזיקאים הזדמנות נוספת להשוות את נתוני התיאוריות עם העובדות. השנה הזו התאפיינה בפיצוץ של סופרנובה בגלקסיה רחוקה מאיתנו.
אסטרונומים מדדו את המרחק אליו והופתעו מאוד מהנתונים שהתקבלו: הכוכב התלקח הרבה יותר ממה שהיה צריך להיות לפי התיאוריה הקיימת. התברר שקצב ההתפשטות של היקום גדל עם הזמן: כעת הוא גבוה בהרבה ממה שהיה לפני 14 מיליארד שנה, כאשר כביכול אירע המפץ הגדול.
כידוע, כדי להאיץ את תנועת הגוף הוא צריך להעביר אנרגיה. הכוח שגורם ליקום להתרחב מהר יותר נודע כאנרגיה אפלה. זהו חלק מסתורי לא פחות מהקוסמוס מאשר חומר אפל. זה ידוע רק שזה אופייניהפצה אחידה בכל היקום, והשפעתה יכולה להירשם רק במרחקים קוסמיים עצומים.
ושוב הקבוע הקוסמולוגי
אנרגיה אפלה זעזעה את תיאוריית המפץ הגדול. חלק מהעולם המדעי ספקן לגבי האפשרות של חומר כזה והאצת ההתפשטות הנגרמת ממנו. כמה אסטרופיזיקאים מנסים להחיות את הקבוע הקוסמולוגי הנשכח של איינשטיין, ששוב מהקטגוריה של טעות מדעית גדולה יכול להיכנס למספר השערות העבודה. נוכחותו במשוואות יוצרת אנטי-גרביטציה, מה שמוביל להאצה של התרחבות. עם זאת, חלק מההשלכות של נוכחות הקבוע הקוסמולוגי אינן מתאימות לנתוני התצפית.
היום, חומר אפל ואנרגיה אפלה, המרכיבים את רוב החומר ביקום, הם תעלומות עבור מדענים. אין תשובה אחת לשאלה על טבעם. יתרה מכך, אולי זה לא הסוד האחרון שהחלל שומר מאיתנו. חומר אפל ואנרגיה עשויים להפוך לסף של תגליות חדשות שיכולות להפוך את ההבנה שלנו לגבי מבנה היקום.
