חומר כהה קרה (CDM)

היקום מורכב לפחות משני סוגים של חומר. בראש ובראשונה, יש את החומר שאנחנו יכולים לאתר, אותם אסטרונומים מכנים חומר "בריוני". זה נחשב כחומר "רגיל" מכיוון שהוא עשוי מפרוטונים ונויטרונים, אותם ניתן למדוד. החומר הבריוני כולל כוכבים וגלקסיות, בתוספת כל העצמים שהם מכילים.

יש ביקום גם "דברים" שלא ניתן לאתר באמצעות אמצעי תצפית רגילים. עם זאת, הוא קיים מכיוון שאסטרונומים יכולים למדוד את השפעת הכבידה שלו על החומר הבריוני. אסטרונומים מכנים חומר זה "חומר אפל" מכיוון שבכן, הוא חשוך. זה לא משקף או פולט אור. צורת חומר מסתורית זו מציגה כמה אתגרים עיקריים להבנת דברים רבים על היקום, חזרה לראשית הדרך, לפני 13.7 מיליארד שנה.

לפני עשרות שנים אסטרונומים גילו כי אין מספיק מסה ביקום כדי להסביר דברים כמו סיבוב הכוכבים פנימה גלקסיות ותנועות אשכולות כוכבים. מסה משפיעה על תנועתו של אובייקט בחלל, בין אם מדובר בגלקסיה או בכוכב או בכוכב לכת. אם לשפוט לפי האופן שבו גלקסיות מסתובבות, למשל, נראה היה שיש יותר מסה שם איפשהו. זה לא התגלה. איכשהו "היה חסר" ממלאי ההמונים שהרכיבו בעזרת כוכבים וערפיליות כדי להקצות לגלקסיה מסה נתונה.

החוקרים החלו לחדור לעומקם יותר להבין לאן נעלמה כל המסה החסרה. הם חשבו שאולי ההבנה שלנו בפיזיקה, כלומר תורת היחסות הכללית, היה פגום, אבל יותר מדי דברים אחרים לא הסתכמו. אז הם החליטו שאולי המיסה עדיין שם, אך פשוט לא נראית לעין.

למרות שעדיין יתכן שאנו מפספסים משהו מהותי בתיאוריות הכובד שלנו, האופציה השנייה הייתה יותר טובה עבור הפיזיקאים. מתוך אותה התגלות נולד הרעיון של חומר אפל. ישנן ראיות תצפיתיות סביב גלקסיות, ותאוריות ומודלים מצביעים על מעורבות של חומר אפל כבר בתחילת היווצרות היקום. אז אסטרונומים וקוסמולוגים יודעים שזה שם, אבל עדיין לא הבנתי מה זה עדיין.

אז מה יכול להיות חומר אפל? נכון לעכשיו, יש רק תיאוריות ומודלים. ניתן למעשה לחלק אותם לשלוש קבוצות כלליות: חומר אפל חם (HDM), חומר אפל חם (WDM) וחומר אפל קר (CDM).

מבין השלושה, CDM הוא זה מכבר המועמד המוביל למה המסה החסרה הזו ביקום. יש חוקרים שעדיין מעדיפים תיאוריית שילוב, בה קיימים יחדיו היבטים של שלושת סוגי החומרים האפלים כדי ליצור את המסה החסרה הכוללת.

CDM הוא סוג של חומר אפל שאם הוא קיים, נע לאט לעומת מהירות האור. מעריכים כי הוא קיים ביקום כבר מההתחלה והשפיע ככל הנראה על צמיחתם והתפתחותם של הגלקסיות. כמו גם היווצרות הכוכבים הראשונים. אסטרונומים ופיזיקאים חושבים שככל הנראה חלקיק אקזוטי שטרם התגלה. סביר להניח שיש לו כמה תכונות מאוד ספציפיות:

יהיה עליו להיעדר אינטראקציה עם הכוח האלקטרומגנטי. זה די ברור מאחר והחומר האפל הוא אפל. לכן זה אינו מתקשר עם, משקף או מקרין שום סוג של אנרגיה בספקטרום האלקטרומגנטי.

עם זאת, כל חלקיק מועמד המרכיב חומר אפל קר יצטרך לקחת בחשבון שהוא צריך לתקשר עם שדה כבידה. לצורך ההוכחה לכך, אסטרונומים שמו לב כי הצטברות חומרים אפלים באשכולות גלקסיות משפיעים על כוח הכבידה על אור מחפצים רחוקים יותר שעוברים במקרה. זה מה שנקרא "אפקט עדשת הכבידה" נצפה פעמים רבות.

אף ששום דבר לא ידוע עומד בכל הקריטריונים לחומר אפל קר, לפחות שלוש תיאוריות הוקדמו כדי להסביר CDM (אם הן קיימות).

• אינטראקציה חלקיקים מסיביים בצורה חלשה: ידוע גם כ WIMPs, חלקיקים אלה, בהגדרה, עונים על כל הצרכים של CDM. עם זאת, מעולם לא נמצא כי חלקיק כזה קיים. מכשירי WIMP הפכו למונח התפיסה של כל המועמדים לחומר אפל קר, ללא קשר לשאלה מדוע נראה כי החלקיק מתעורר.
• צירים: חלקיקים אלה מחזיקים (לפחות בשולי) בתכונות ההכרחיות של חומר אפל, אך מסיבות שונות ככל הנראה אינן התשובה לשאלת החומר האפל הקר.
• מכונות: זהו ראשי תיבות של חפצי הילה מסיבייםשהם חפצים כמו חורים שחורים, עתיק כוכבי נויטרוניםגמדים חומים עצמים פלנטריים. כל אלה לא מאירים ומסיביים. אך בגלל גודלם הגדול, הן מבחינת הנפח והן מבחינת המסה, יהיה קל יחסית לאתר אותם על ידי פיקוח על אינטראקציות כבידה מקומיות. יש בעיות בהשערת MACHO. התנועה הנצפית של גלקסיות, למשל, היא אחידה באופן שיהיה קשה להסביר אם MACHOs יספקו את המסה החסרה. יתרה מזאת, אשכולות כוכבים ידרשו חלוקה אחידה מאוד של חפצים כאלה בגבולותיהם. זה נראה מאוד לא סביר. כמו כן, המספר העצום של ה- MACHOs שיצטרך להיות גדול למדי על מנת להסביר את המסה החסרה.

כרגע, לתעלומת החומר האפל אין עדיין פיתרון ברור. אסטרונומים ממשיכים לעצב ניסויים לחיפוש אחר חלקיקים חמקמקים אלה. כאשר הם אכן מגלים מה הם ואיך הם מופצים ברחבי היקום, הם יפתחו פרק נוסף בהבנתנו את הקוסמוס.