חומר אפל

איור של "חומר אפל", אם אמנם הוא קיים, מסביב לגלקסיית שביל החלב שלנו
הרכב היקום 380,000 שנה לאחר היווצרותו וכיום, לפי מידע ממרץ 2013 ובהנחה שתאוריית "החומר האפל" נכונה

בפיזיקה, חומר אפל (או מסה אפלה) הוא חומר היפותטי שמניחים את קיומו כהסבר אפשרי לתופעות כבידתיות מסוימות. תאוריות אחרות, כמו דינמיקה ניוטונית מתוקנת, נותנות הסבר חלופי לאותן תופעות כבידתיות, לרוב מבלי להניח את קיומו של חומר אפל.

החומר האפל קרוי כך, משום שבניגוד לחומר שבו יכולים לצפות, דהיינו כוכבים, ענני גז וחומר בין-כוכבי, החומר האפל הוא בלתי ניתן לצפייה ישירה. מכאן נובע שאם הוא אכן קיים, אזי הוא לא מקיים אינטראקציות אלקטרומגנטיות: הוא לא פולט ולא בולע קרינה הניתנת לצפייה ישירה, אחרת ניתן היה לזהותו באמצעות האינטראקציה שלו עם קרינה כזו.

על-פי חישובים המבוססים על תורת היחסות הכללית, על מנת להסביר את התופעות הכבידתיות שאינן מוסברות על ידי החומר הנראה צריך שהחומר האפל יתרום כ-26.8% מצפיפות החומר והאנרגיה היקומית (ויחד עם האנרגיה האפלה כ-95.1% ממנה). המסה והאנרגיה שאנו מסוגלים לראות או לזהות באמצעים הטכנולוגיים הקיימים מהווים כ-4.9% מהיקום.

שאלות קיומו ומהותו של החומר האפל הן מהבעיות הבלתי פתורות המשמעותיות ביותר באסטרופיזיקה של ימינו.

הצורך בחומר אפל

יש מספר בעיות יסודיות בקוסמולוגיה, שאחת הדרכים המקובלות להסביר אותן, היא הנחת קיומו של חומר אפל.

א. בעיית המסה החסרה

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – בעיית המסה החסרה

קיומו של החומר האפל הוא פתרון לבעיית המסה החסרה המקובל על רוב החוקרים בתחום. ברבות מן הגלקסיות הנחקרות, כאשר מסכמים את מסתם של כל הגופים המאירים: כוכבים, ענני גז וחומר בין כוכבי, המסה הכללית המתקבלת קטנה מדי בהתייחס לדינמיקת התנועה בהן. מניתוח ספקטרומטרי עולה כי מהירותם של ענני מימן הנעים בשולי גלקסיות ספירליות רבות גבוה בהרבה מהצפוי. במקרים רבים מסתה של הגלקסיה חייבת להיות גדולה מן המסה הנראית שלה פי עשרה או יותר, על מנת למנוע מענני הגז להינתק ממנה בשל מהירותם הגבוהה. כמו כן, כשבודקים את מהירותן של גלקסיות בצבירים, מתגלה כי מהירותן גבוהה מכדי לאפשר את קיום הצביר.

לפי חוקי המשיכה היינו מצפים כי מהירות החומר בשולי הגלקסיות תקטן ככל שמתרחקים ממרכז הנראה של הגלקסיה, אולם תצפיות מראות כי יש סתירה בין המהירויות הנצפות לעומת החישובים המשוערכים. במהלך שנות ה-70 של המאה ה-20 ורה רובין וקנת' פורד הראו שמתוך מדידות המהירויות של הכוכבים בשולי הגלקסיות ניתן להסיק כי החומר האפל נמצא סביב הגלקסיות במעטפת כדורית, 'הילה' של חומר אפל בעל מסה של פי 5 עד 10 ממסת החומר המאיר של הגלקסיה[1].

על-פי הסבר החומר האפל, כל גלקסיה שרויה במרכזה של 'הילה' של חומר שאינו מאיר, המשתרעת הרחק מעבר לאזור הנראה של הגלקסיה. מסה נוספת זו אמורה להסביר את מהירות תנועתם של ענני הגז סביב גלקסיות כמו גם את תנועתן של גלקסיות בתוך צבירי הגלקסיות.

ב. היווצרות המבנים

על-פי תאוריית המפץ הגדול, ראשיתו של היקום היא בהתפשטות של נקודה לוהטת, שהחלה לפני כ-13.8 מיליארד שנים. אם כך, היקום היה בעל מבנה אחיד, ותבניות החומר הנראה, כוכבים, גלקסיות, צבירים ועל-צבירים, נוצרו במשך הזמן, בהשפעתו של כוח הכבידה. אלא שכאשר מחשבים כמה זמן נדרש כדי שהיקום יגיע לריכוז הנוכחי של תבניות החומר, נראה ש-13.8 מיליארדי שנה אינם מספיקים.

קיומו של חומר אפל מסייע רבות בפתרון בעיה זו. החומר האפל משתתף באינטראקציות כבידתיות, אבל אינו מושפע מאינטראקציות גרעיניות אחרות, ובפרט אינו קורן. בהיעדר השפעתם המעכבת של הכוחות האחרים, חומר אפל ממהר להתרכז במבנים דחוסים, מהר יותר מן החומר הנראה. ביקום שרובו חומר אפל, המבנים הנראים אכן יכולים להיווצר בקצב המתחייב מגילו הצעיר של היקום.