מהו חומר שחור? תורת החומר האפל

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:22

מה הגיע קודם: הביצה או התרנגולת? מדענים בכל העולם נאבקים בשאלה הפשוטה הזו במשך עשרות שנים. שאלה דומה עולה לגבי מה שהיה ממש בהתחלה, ברגע בריאת היקום. אבל האם זה היה הבריאה הזו, או שהיקומים הם מחזוריים או אינסופיים? מהו חומר שחור במרחב ובמה הוא שונה מחומר לבן? נזרוק הצידה סוגים שונים של דת, בואו ננסה לגשת לתשובות לשאלות אלו מנקודת מבט מדעית. במהלך השנים האחרונות, מדענים הצליחו לעשות את הבלתי מתקבל על הדעת. כנראה בפעם הראשונה בהיסטוריה, חישוביהם של פיזיקאים תיאורטיים תאמו את חישוביהם של פיזיקאים ניסויים. מספר תיאוריות שונות הוצגו לקהילה המדעית במהלך השנים. עם זאת, פחות או יותר, בדרכים אמפיריות, לפעמים מעין-מדעיות, הנתונים המחושבים התיאורטיים אושרו בכל זאת על ידי ניסויים, חלקם אפילו באיחור של יותר מתריסר שנים (הבוזון של היגס, למשל).

חומר אפל - אנרגיה שחורה

ישנן תיאוריות רבות כאלה, לדוגמה: תורת המיתרים, תורת המפץ הגדול, תורת היקום המחזורי, תורת היקום המקביל, דינמיקה ניוטונית שונה (MOND), F.הויל ואחרים. עם זאת, כיום, התיאוריה של יקום מתרחב ומתפתח כל הזמן נחשבת למקובלת, שהתזות שלה משתלבות היטב במסגרת תפיסת המפץ הגדול. במקביל, מבחינה מעין-אמפירית (כלומר, אמפירית, אך עם סובלנות גדולה ובהתבסס על תיאוריות מודרניות קיימות לגבי מבנה המיקרוקוסמוס), התקבלו נתונים לפיהם כל המיקרו-חלקיקים המוכרים לנו מהווים רק 4.02% מהנפח הכולל של את כל ההרכב של היקום. זהו מה שנקרא "קוקטייל בריון", או חומר בריוני. עם זאת, עיקר היקום שלנו (יותר מ-95%) הם חומרים בעלי תוכנית שונה, הרכב ומאפיינים שונים. זהו מה שנקרא חומר שחור ואנרגיה שחורה. הם מתנהגים אחרת: הם מגיבים אחרת לסוגים שונים של תגובות, אינם מקובעים באמצעים טכניים קיימים, ומפגינים תכונות שלא נחקרו בעבר. מכאן נוכל להסיק שאו שהחומרים הללו מצייתים לחוקי הפיזיקה האחרים (פיזיקה לא ניוטונית, אנלוגי מילולי של גיאומטריה לא אוקלידית), או שרמת הפיתוח שלנו של מדע וטכנולוגיה נמצאת רק בשלב הראשוני של היווצרותה.

מהם בריונים?

לפי המודל הנוכחי של קווארק-גלואון של אינטראקציות חזקות, ישנם רק שישה עשר חלקיקים יסודיים (והגילוי האחרון של בוזון היגס מאשר זאת): שישה סוגים (טעמים) של קווארקים, שמונה גלוונים ושני בוזונים. בריונים הם חלקיקי יסוד כבדים עם אינטראקציה חזקה. המפורסמים שבהם הם קווארקים, פרוטון ונייטרון. משפחות של חומרים כאלה, השונות ביניהםספין, מסות, ה"צבע" שלהם, כמו גם המספרים של "קסם", "מוזרות", הם בדיוק אבני הבניין של מה שאנו מכנים חומר בריוני. חומר שחור (כהה), המהווה 21.8% מההרכב הכולל של היקום, מורכב מחלקיקים אחרים שאינם פולטים קרינה אלקטרומגנטית ואינם מגיבים איתה בשום צורה. לכן, לצורך התבוננות ישירה לפחות, ועוד יותר מכך לרישום של חומרים כאלה, יש צורך קודם כל להבין את הפיזיקה שלהם ולהסכים על החוקים להם הם מצייתים. מדענים מודרניים רבים עושים זאת כיום במכוני מחקר ברחבי העולם.

האופציה הסבירה ביותר

אילו חומרים נחשבים כאפשריים? ראשית, יש לציין כי יש רק שתי אפשרויות אפשריות. לפי GR ו-SRT (תורת היחסות הכללית והמיוחדת), מבחינת הרכב החומר הזה יכול להיות חומר אפל באריוני וגם לא-בריוני (שחור). על פי התיאוריה העיקרית של המפץ הגדול, כל חומר קיים מיוצג בצורה של בריונים. תזה זו הוכחה בדיוק גבוה במיוחד. כיום, מדענים למדו ללכוד חלקיקים שנוצרו דקה לאחר פרץ הסינגולריות, כלומר לאחר התפוצצות של מצב סופר-צפוף של חומר, כאשר מסת הגוף נוטה לאינסוף וממדי הגוף שואפים לאפס. התרחיש עם חלקיקי בריון הוא הסביר ביותר, מכיוון שמהם מורכב היקום שלנו ודרכם ממשיך את התפשטותו. חומר שחור,לפי הנחה זו, הוא מורכב מחלקיקים בסיסיים המקובלים בדרך כלל על ידי הפיזיקה הניוטונית, אך מסיבה כלשהי אינטראקציה חלשה בצורה אלקטרומגנטית. זו הסיבה שהגלאים לא מזהים אותם.

זה לא הולך כל כך חלק

תרחיש זה מתאים למדענים רבים, אך עדיין יש יותר שאלות מתשובות. אם גם החומר השחור והלבן מיוצג רק על ידי בריונים, אזי הריכוז של בריונים קלים כאחוז מהכבדים, כתוצאה מנוקלאוסינתזה ראשונית, צריך להיות שונה בעצמים האסטרונומיים הראשוניים של היקום. ובניסוי, נוכחות בגלקסיה שלנו של מספר מספיק של עצמים כבידה גדולים, כמו חורים שחורים או כוכבי נויטרונים, לא התגלתה כדי לאזן את מסת ההילה של שביל החלב שלנו. עם זאת, אותם כוכבי נויטרונים, הילות גלקטיות כהות, חורים שחורים, ננסים לבנים, שחורים וחומים (כוכבים בשלבים שונים של מחזור חייהם), הם ככל הנראה חלק מהחומר האפל שממנו מורכב החומר האפל. אנרגיה שחורה יכולה גם להשלים את המילוי שלהם, כולל עצמים היפותטיים חזויים כמו פריאון, קווארק וכוכבי Q.

מועמדים לא בריונים

התרחיש השני מרמז על מוצא לא בריוני. כאן, מספר סוגים של חלקיקים יכולים לפעול כמועמדים. למשל, ניטרינו קל, שקיומם כבר הוכח על ידי מדענים. עם זאת, המסה שלהם, בסדר גודל של מאית לאחתעשרת אלפים eV (אלקטרון-וולט), למעשה מוציא אותם מחלקיקים אפשריים בגלל חוסר השגה של הצפיפות הקריטית הדרושה. אבל ניטרינו כבדים, בשילוב ללפטונים כבדים, למעשה אינם מתבטאים באינטראקציות חלשות בתנאים רגילים. נייטרינו כאלה נקראים סטריליים; עם המסה המקסימלית שלהם של עד עשירית ה-eV, סביר יותר שהם יהיו מועמדים לחלקיקי חומר אפל. אקסונים וקוסמיונים הוכנסו באופן מלאכותי למשוואות פיזיקליות כדי לפתור בעיות בכרומודינמיקה קוונטית ובמודל הסטנדרטי. יחד עם חלקיק סופר-סימטרי יציב אחר (SUSY-LSP), הם עשויים בהחלט להעפיל כמועמדים, מכיוון שהם אינם משתתפים באינטראקציות אלקטרומגנטיות וחזקות. עם זאת, בניגוד לנייטרינו, הם עדיין היפותטיים, עדיין צריך להוכיח את קיומם.

תיאוריית החומר השחור

היעדר מסה ביקום מוליד תיאוריות שונות בנושא זה, חלקן עקביות למדי. למשל, התיאוריה שכוח הכבידה הרגיל אינו מסוגל להסביר את הסיבוב המוזר והמהיר להפליא של כוכבים בגלקסיות ספירליות. במהירויות כאלה פשוט היו עפים ממנו, אלמלא סוג של כוח אחיזה, שעדיין לא ניתן לרשום. תזות אחרות של תיאוריות מסבירות את חוסר האפשרות להשיג WIMPs (חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה אלקטרו-חלשה-שותפים של תת-חלקיקים אלמנטריים, סופר-סימטריים וסופר-כבדים - כלומר, מועמדים אידיאליים) בתנאים יבשתיים, שכן הם חיים ב-n-מימד, השונה משלושה שלנו- מימד אחד.לפי תיאוריית Kaluza-Klein, מדידות כאלה אינן זמינות לנו.

Changing Stars

תיאוריה נוספת מתארת כיצד כוכבים משתנים וחומר שחור מתקשרים זה עם זה. הבהירות של כוכב כזה יכולה להשתנות לא רק עקב תהליכים מטפיזיים המתרחשים בפנים (פעימה, פעילות כרומוספרית, פליטת בולטות, זליגה וליקויים במערכות כוכבים בינאריות, פיצוץ סופרנובה), אלא גם בשל התכונות החריגות של החומר האפל.

כונן WARP

לפי תיאוריה אחת, חומר אפל יכול לשמש כדלק למנועי תת-חלל של חלליות הפועלות בטכנולוגיית WARP ההיפותטית (WARP Engine). פוטנציאל, מנועים כאלה מאפשרים לספינה לנוע במהירויות העולות על מהירות האור. תיאורטית, הם מסוגלים לכופף את החלל לפני הספינה ומאחוריה ולהזיז אותה בה אפילו מהר יותר ממה שגל אלקטרומגנטי מאיץ בוואקום. הספינה עצמה אינה מאיצה מקומית - רק השדה המרחבי שלפניה כפוף. סיפורי פנטזיה רבים משתמשים בטכנולוגיה זו, כמו סאגת מסע בין כוכבים.

צמיחה בתנאים יבשתיים

ניסיונות ליצור ולהשיג חומר שחור על פני כדור הארץ עדיין לא הצליחו. נכון לעכשיו, ניסויים מתבצעים ב-LHC (Large Andron Collider), בדיוק היכן שבוזון היגס תועד לראשונה, כמו גם בשאר, פחות חזקים, כולל מתנגשים ליניאריים בחיפוש אחרשותפים יציבים, אך בעלי אינטראקציה אלקטרומגנטית חלשה של חלקיקים יסודיים. עם זאת, לא פוטינו, לא גרביטינו, לא היגסינו, ולא סנוטרינו (נייטרלינו), ולא WIMPs אחרים עדיין הושגו. על פי הערכה זהירה ראשונית של מדענים, כדי להשיג מיליגרם אחד של חומר אפל בתנאים יבשתיים, יש צורך בכמות המקבילה לאנרגיה שנצרכה בארצות הברית במהלך השנה.