חוקר ישראלי גילה משהו שכולם פספסו על החומר האפל

בשבוע שעבר פורסם בכתב העת המדעי היוקרתי Monthly Notices of the Royal Astronomical Society מחקר חדש של חוקרים מאוניברסיטת אריאל, שמציע דרך אחרת להסתכל על אחת התעלומות הגדולות של המדע המודרני - החומר האפל. המחקר זיהה דפוס קבוע בסיבוב הגלקסיות, שעד כה חמק מעיני הפיזיקאים, ומעלה מחדש שאלות יסוד על הכבידה, מבנה הגלקסיות ומה באמת מחזיק אותן יחד.

כדי להבין למה המחקר הזה מסקרן, צריך לחזור לרגע שבו נולדה בכלל תיאוריית החומר האפל. כבר לפני עשרות שנים הבחינו אסטרונומים שגלקסיות ספירליות, כמו שביל החלב שלנו, מסתובבות בצורה מוזרה. מדובר בגלקסיות שטוחות עם זרועות ספירליות, שמורכבות מגז, אבק ומיליארדי כוכבים, כאשר כל אחת מסתובבת סביב צירה.

לפי חוקי הפיזיקה, כשמתרחקים מספיק ממרכז הגלקסיה, מהירות הסיבוב אמורה לדעוך. בפועל, מדידות הראו שמהירות הסיבוב אינה דועכת, אלא נשארת פחות או יותר קבועה. הפער הזה בין הציפיות לבין המציאות היה אחד הזרזים המרכזיים לרעיון שיש בגלקסיות הרבה יותר מסה ממה שאנחנו רואים, מסה נסתרת שזכתה לשם חומר אפל.

מאז, רעיון החומר האפל הפך כמעט לקונצנזוס בקהילה המדעית, והוא משתלב היטב גם בהסברים לתופעות קוסמולוגיות אחרות, כמו מבנה היקום בקנה מידה גדול וקרינת הרקע הקוסמית. עם זאת, לצד הקונצנזוס קיימות גם תיאוריות חלופיות, שמנסות להסביר את הנתונים באמצעות שינוי בחוקי הכבידה עצמם או באמצעות מנגנונים אחרים שעדיין אינם מובנים עד הסוף.

תומר צימרמן, במסגרת עבודת המסטר באוניברסיטת אריאל, בהנחיית ד"ר לב טל-אור, בחר לחזור לנקודת ההתחלה של הדיון, כלומר לנתוני סיבוב הגלקסיות עצמם. "החלטנו להיצמד לדאטה ולשאול שאלה פשוטה", הוא אומר. "מה בדיוק אומר לנו הפער בין התצפיות לבין התחזיות שמבוססות רק על החומר הנראה".

על פניו, ה"טריק" של צימרמן היה פשוט להפליא. במקום לנתח את הנתונים בדרך המקובלת, באמצעות מהירות הסיבוב של כוכבים וגז, הוא בחן את המהירות הזוויתית, כלומר כמה זווית משלים כל חלק בגלקסיה בפרק זמן נתון. מדובר באותה תנועה, אך היא מיוצגת בצורה אחרת.

בתצוגה הזו התגלה דבר מפתיע: הפער שנראה קודם מורכב ומשתנה מצטמצם להיסט קבוע. "בהתחלה ראינו את זה בכמה גלקסיות, ואז הבנו שזו תופעה שחוזרת על עצמה במדגם גדול של יותר מ-170 גלקסיות", מספר צימרמן.

שאלה חדשה בקוסמולוגיה

כאן בדיוק נשברת הציפייה המקובלת בתחום. עד היום הסברה הייתה שהיחס בין החומר הנראה לבין החומר האפל משתנה מגלקסיה לגלקסיה ותלוי בהיסטוריה ובהתפתחות של כל אחת מהן, ולכן גם הפער בין המודלים לתצפיות אמור היה להיראות לא אחיד.

אלא שבניתוח החדש מתקבלת תמונה מסודרת בהרבה, שבה המודל המבוסס על חומר נראה עוקב אחרי הנתונים בפער קבוע. "השאלה המרכזית היא למה יש קבוע כזה ולמה הדפוס כל כך דומה מגלקסיה לגלקסיה", אומר צימרמן. "עצם העובדה שיש כאן חוקיות ולא אוסף של חריגות היא כבר ממצא משמעותי".

מהמשוואה הזו נגזרות כמה השלכות אפשריות. אם מקבלים את קיומו של החומר האפל, אפשר להשתמש בדפוס החדש כדי להסיק כיצד הוא מתפלג בגלקסיות. במאמר מציעים החוקרים פונקציה שמתארת פרופיל של חומר אפל שמוביל בדיוק להיסט הקבוע שנצפה במהירות הזוויתית.

בניגוד למודלים המקובלים, שבהם החומר האפל מתואר כהילה כללית שמותאמת לכל גלקסיה בנפרד, כאן מתקבל קשר ישיר בין התפלגות החומר האפל לבין החומר הנראה. במילים אחרות, אם יודעים איך הכוכבים והגז מתפלגים, אפשר להסיק מכך גם על החומר האפל.

אבל זו לא הדרך היחידה לפרש את הממצאים. "אפשר לקחת את זה גם לכיוונים אחרים", אומר צימרמן. "יש תיאוריות שמנסות להסביר את הנתונים בלי חומר אפל אלא באמצעות שינוי בכבידה, ויש גם אפשרות שעדיין חסר לנו מנגנון פיזיקלי אחר שמסביר למה החומר הנראה יוצר את אותה תבנית עם תוספת של קבוע". לדבריו, המטרה של המחקר אינה להכריע בין האפשרויות, אלא להגדיר בצורה חדה יותר את התופעה שכל תיאוריה עתידית תצטרך להסביר.

בשלב הבא צימרמן מתכוון להרחיב את הבדיקה למדגמים גדולים עוד יותר כדי לבדוק אם הקבוע שנמצא קשור למאפיינים נוספים של הגלקסיה כמו מסה כוללת או מבנה הדיסק. "אם נמצא קשרים כאלה, זה יכול לתת רמזים חשובים על הפיזיקה שמאחורי הסיבוב של גלקסיות", הוא אומר.

בשורה התחתונה, המחקר אינו מציע תשובה סופית לשאלת החומר האפל, אלא מציף שאלה חדשה: אם מתגלה דפוס קבוע ופשוט כל כך בסיבוב הגלקסיות, מה בעצם עומד מאחוריו. "אני מקווה שהמאמר יחולל פולמוס בקהילה ושעוד פיזיקאים ייכנסו לעומק הסוגיה", אומר צימרמן. "ברגע שמזהים חוקיות, אי אפשר להתעלם ממנה, ונצטרך להסביר למה היא קיימת".

במובן הזה, המחקר לא סוגר תעלומה קוסמית, אלא פותח אחת חדשה. והוא גם מזכיר שלפעמים הדרך להתקדמות מדעית אינה בהוספת עוד רכיב למשוואה, אלא דווקא בחזרה לנתונים עצמם, עם משקפיים קצת אחרות ועם פחות הנחות מוקדמות - כדי לגלות שבתוך המידע הישן מסתתר סיפור חדש לגמרי.