מה הבעיה?

אנו מוקפים בחומר. למעשה, אנחנו עניין. כל מה שאנו מגלים ביקום הוא גם עניין. זה כל כך בסיסי שאנחנו פשוט מקבלים שהכל עשוי מחומר. זהו אבן הבניין הבסיסית של הכל: החיים על כדור הארץ, הכוכב עליו אנו חיים, הכוכבים והגלקסיות. זה בדרך כלל מוגדר כל דבר שיש בו מסה ותופס נפח שטח.

אבני הבניין של החומר נקראות "אטומים" ו"מולקולות ". גם הם חשובים. העניין שאנו יכולים לגלות בדרך כלל מכונה חומר "בריוני". עם זאת, יש סוג אחר של חומר שם בחוץ, שלא ניתן לאתר אותו ישירות. אבל השפעתה יכולה. זה נקרא חומר אפל.

קל ללמוד חומר רגיל או "חומר בריוני". ניתן לפרק אותו לחלקיקים תת אטומיים הנקראים לפטונים (אלקטרונים למשל) ולקווארקים (אבני הבניין של פרוטונים ונויטרונים). אלה המרכיבים את האטומים והמולקולות שהם המרכיבים של כל דבר מבני אדם לכוכבים.

חומר נורמלי הוא זוהר, כלומר הוא מתקשר אלקטרומגנטית וכבידה עם חומר אחר ועם קרינה. זה לא בהכרח מאיר כמו שאנחנו חושבים על כוכב מאיר. זה עשוי לוותר על קרינה אחרת (כמו אינפרא אדום).

היבט נוסף שעולה כשמדברים על חומר הוא דבר שנקרא אנטי-חומר. חשוב על זה כאל היפוך החומר הרגיל (או אולי תמונת מראה) שלו. לעתים קרובות אנו שומעים על כך כשמדענים מדברים תגובות חומר / אנטי-חומר כמקורות כוח. הרעיון הבסיסי העומד מאחורי האנטי-חומר הוא שלכל החלקיקים יש אנטי-חלקיק בעל אותה מסה אך הפוכה ומסתובבים הפוכים. כאשר חומר ואנטי-חומר מתנגשים הם משמידים זה את זה ויוצרים אנרגיה טהורה בצורה של קרני גאמה. יצירת אנרגיה זו, אם ניתן היה לרתום אותה, תספק כמויות עצומות של כוח לכל תרבות שתוכל להבין כיצד לעשות זאת בבטחה.

בניגוד לחומר הרגיל, חומר אפל הוא חומר שאינו מאיר. כלומר, הוא אינו מתקשר בצורה אלקטרומגנטית ולכן הוא נראה כהה (כלומר הוא לא ישקף או יפיץ אור). אופיו המדויק של החומר האפל אינו ידוע, אם כי צוינו השפעתו על המונים אחרים (כמו גלקסיות) על ידי אסטרונומים כמו ד"ר ורה רובין ואחרים. עם זאת, ניתן לאתר את נוכחותה על ידי ההשפעה הכבידה שיש לה על חומר רגיל. לדוגמה, נוכחותה יכולה להגביל את תנועות הכוכבים בגלקסיה, למשל.

נכון לעכשיו יש שלוש אפשרויות בסיסיות ל"דברים "המרכיבים חומר אפל:

• חומר אפל קר (CDM): יש מועמד אחד שנקרא החלקיק המאסיבי החלש (WIMP) שיכול להיות הבסיס לחומר אפל קר. עם זאת, מדענים לא יודעים הרבה על זה או איך זה יכול היה להיווצר בתחילת ההיסטוריה של היקום. אפשרויות אחרות לחלקיקי CDM כוללות צירים, אולם הם מעולם לא התגלו. לבסוף, ישנם MACHOs (MAssive Compact Halo Objects), הם יכולים להסביר את המסה המדודה של חומר אפל. חפצים אלה כוללים חורים שחורים, עתיק כוכבי נויטרונים ו עצמים פלנטריים שכולם לא זוהרים (או כמעט כך) אך עדיין מכילים כמות משמעותית של מסה. אלה יסבירו בנוחות חומר אפל, אבל יש בעיה. היו חייבים להיות הרבה כאלה (יותר מהצפוי בהתחשב בעידן של גלקסיות מסוימות) וההפצה שלהם תצטרך להיות מדהימה מתפשטים היטב ביקום כדי להסביר את החומר האפל שאסטרונומים מצאו "שם בחוץ". אז, חומר אפל קר נשאר "יצירה בתוך התקדמות."
• חומר אפל וחם (WDM): זה נחשב מורכב מנוייטרינים סטריליים. אלה הם חלקיקים הדומים לניוטרינו רגיל, למעט העובדה שהם הרבה יותר מסיביים ואינם מתקשרים באמצעות הכוח החלש. מועמד נוסף ל- WDM הוא הגרוויטינו. זהו חלקיק תיאורטי שהיה קיים במידה ותאוריית כוח הכבידה - מיזוג של תורת היחסות הכללית וסימטריה על - משיכה. WDM הוא גם מועמד מושך להסביר חומר אפל, אך קיומם של נייטרינו סטרילי או גרוויטינו הוא ספקולטיבי במקרה הטוב.
• חומר אפל חם (HDM): החלקיקים הנחשבים כחומר אפל חם כבר קיימים. הם נקראים "נייטרינו". הם נוסעים בשעה כמעט מהירות האור ואל "גושים" יחד בדרכים בהן אנו מקרינים חומר אפל. בהתחשב בעובדה שהנייטרינו כמעט חסר מסה, יהיה צורך בכמות מדהימה מהם בכדי להמציא את כמות החומר האפל שידוע כי קיים. הסבר אחד הוא שיש סוג או טעם שטרם זוהה של נייטרינו שיהיו דומים לאלה שכבר ידועים שקיימים. עם זאת, תהיה לו מסה גדולה משמעותית (ומכאן שאולי מהירות איטית יותר). אבל זה כנראה יהיה דומה יותר לחומר אפל וחם.

החומר לא בדיוק קיים ללא השפעה ביקום ויש קשר מוזר בין קרינה לחומר. קשר זה לא הובן היטב עד ראשית המאה העשרים. זה היה הרגע בו אלברט איינשטיין החל לחשוב על הקשר שבין משנה ואנרגיה וקרינה. הנה מה שהוא מצא: על פי תורת היחסות שלו, המסה והאנרגיה שווים זה לזה. אם מספיק קרינה (אור) מתנגשת עם פוטונים אחרים (מילה אחרת ל"חלקיקי "אור) בעלי אנרגיה גבוהה מספיק, ניתן ליצור מסה. התהליך הזה הוא מה שמדענים חוקרים במעבדות ענק עם קולטני חלקיקים. עבודותיהם שוקעות עמוק בלב החומר, ומחפשות אחר החלקיקים הקטנים ביותר שידועים כקיימים.

כך, בעוד שקרינה אינה נחשבת באופן מפורש לחומר (אין לה מסה או לתפוס נפח, לפחות לא בצורה מוגדרת היטב), היא קשורה לחומר. הסיבה לכך היא שקרינה יוצרת חומר וחומר יוצר קרינה (כמו כאשר חומר ואנטי חומר מתנגשים).

אם לוקחים את הקשר בין קרינת החומר צעד נוסף קדימה, מציעים תיאורטיקנים כי קיימת אצלנו קרינה מסתורית יקום. זה נקרא אנרגיה שחורה. אופיו אינו מובן כלל. אולי כשמובן חומר אפל, נבין גם את טיב האנרגיה האפלה.

נערך ועודכן על ידי קרולין קולינס פיטרסן.