פטרישיה בורצהט מטילה אור על החומר האפל

כפיזיקאית חלקיקים אני חוקרת את החלקיקים האלמנטריים ואת הדרך בה הם מגיבים זה עם זה ברמה הבסיסית ביותר. במשך רוב הקרירה המחקרית שלי השתמשתי במאיצי חלקיקים כמו מאיץ האלקטרונים שבאוניברסיטת סטאנפורד, שנמצאת במעלה הכביש לחקירת דברים בקנה המידה הקטן ביותר אך לאחרונה הפנתי את תשומת ליבי ליקום בקנה המידה הגדול ביותר. בגלל, כפי שאסביר לכם, השאלות על הקטן ביותר ועל הגדול ביותר קשורות מאוד לכן אני הולכת לתאר לכם את מבטנו על היקום במאה ה-21 ממה הוא מורכב ומה הן השאלות הגדולות במדעים הפיזיקאליים – לפחות חלק מהשאלות הגדולות.

ובכן, לאחרונה הבנו שהחומר הרגיל ביקום וב"רגיל" אני מתכוונת לך, לי, כוכבי-לכת, כוכבים, הגלקסיות -- החומר הרגיל מרכיב רק כמה אחוזים מתכולת היקום כמעט רבע, או בערך רבע מהחומר ביקום, הוא בלתי נראה. כשאני אומרת "בלתי נראה" אני מתכוונת לכך שהוא לא סופג קרינה אלקטרומגנטית לא פולט קרינה אלקטרומגנטית, לא מחזיר, לא מגיב עם הספקטרום האלקטרומגנטי, שבו אנחנו משתמשים לגלות דברים. זה לא מגיב בכלל. אז איך אנחנו יודעים שזה שם? אנחנו יודעים שזה שם לפי התוצא הכבידתי שלו. למעשה, החומר האפל הזה שולט בתופעות הכבידה ביקום בקנה מידה גדול, ואני אסביר את הראיות לכך.

מה בקשר לשאר העוגה? שאר העוגה הוא משהו מסתורי מאוד שנקרא אנרגיה אפלה. עוד על כך בהמשך. בואו נראה את הראיות למציאות חומר אפל. בגלקסיות כאלה, בעיקר בגלקסיות הספיראליות כמו זו, רוב המסה של הכוכבים מרוכזת במרכז הגלקסיה המסה הענקית הזו של כל הכוכבים האלה שומרת כוכבים בתנועה סיבובית בגלקסיה כך שיש לנו את הכוכבים האלה נעים בסיבוב ככה. כמו שאתם יכולים לדמין, גם אם אתם לא יודעים פיזיקה – זה צריך להיות אינטואיטיבי,כן – הכוכבים שקרובים יותר למסה במרכז יסתובבו במהירות גבוהה יותר מאלו שיותר רחוקים שם.

אז הינו מצפים לכך שאם נמדוד את המהירות הסיבובית של הכוכבים הם צריכים להיות איטיים יותר בקצוות מאשר במרכז במילים אחרות, אם נמדוד את המהירות כפונקציה של מרחק -- וזו הפעם היחידה שאני אראה גרף --- הינו מצפים שהוא ירד למטה ככל שגדל המרחק ממרכז הגלקסיה כאשר המדידות האלו מבוצעות במקם זאת, אנחנו מוצאים שהמהירות בערך קבועה, כפונקציה של המרחק. אם היא קבועה, זה אומר שהכוכבים כאן בחוץ מרגישים משיכה כבידתית של חומר שאנחנו לא רואים למעשה, הגלקסיה הזו, וכל גלקסיה אחרת נראות כאילו הן משובצות בתוך ענן של החומר הבלתי-נראה האפל הזה ענן החומר הזה הרבה יותר כדורי מהגלקסיות עצמן והוא מתפשט לטווח גדול יותר מהגלקסיות. אז, אנחנו רואים את הגלקסיות ומתמקדים בהן, אבל בעצם הענן של החומר האפל הוא ששולט במבנה ובתנועה של הגלקסיה הזו.

הגלקסיות עצמן לא מפוזרות באופן אקראי בחלל הן נוטות ליצור צבירים וזו דוגמא לאחד הצבירים המפורסמים ביותר, "צביר קומה" יש אלפי גלקסיות בצביר הן הדברים הלבנים, המטושטשים האלפטיים כאן אז אם ניקח תמונה של צביר גלקסיה עכשיו וניקח תמונה בעוד עשור -- הוא יראה זהה אבל הגלקסיות האלה באמת נעות במהירות מאוד גבוהה הן נעות בתוך באר הכבידה הפוטנציאלית של הצביר. אז כל הגלקסיות האלה נעות. אנחנו יכולים למדוד את המהירות של הגלקסיות האלה, את המהירות הסיבובית שלהן. ולחשב כמה מסה יש בצביר

ושוב, מה שאנחנו מוצאים זה שיש שם הרבה יותר מסה ממה שאפשר להסביר על ידי הגלקסיות שאנחנו רואים. או, אם נסתכל בחלק אחר של הספקטרום האלקטרומגנטי נראה שיש הרבה גז בצביר, גם כן. אבל זה עדיין לא מסביר את המסה . למעשה, נראה שיש בערך פי עשר יותר מסה פה בצורה של החומר האפל, הבלתי-נראה מאשר בצורה של חומר רגיל. זה יהיה נחמד אם נוכל לראות את החומר האפל הזה בצורה יותר ישירה אני רק מוסיפה את הענן הכחול הגדול הזה פה, לנסות להזכיר לכם שזה שם. האם אנחנו יכולים לראות אותו בצורה יותר ישירה? כן, אנחנו יכולים

ובואו נראה איך אנחנו יכולים לעשות את זה. אז הנה הצופה זה יכול להיות עין, זה יכול להיות טלסקופ ונניח שיש גלקסיה שם ביקום איך אנחנו רואים את הגלקסיה הזו? קרן אור יוצאת מהגלקסיה , נעה דרך היקום, למשך , אולי, מליוני שנים לפני שהיא פוגעת בטלסקופ או בעין שלכם עכשיו, איך אנחנו מסיקים איפה הגלקסיה נמצאת? ובכן, אנחנו מסיקים את זה לפי הכיוון שבה הקרן נעה כאשר היא פוגעת בעין שלנו, נכון? בואו נגיד, שקרן האור באה מהכיון הזה הגלקסיה חייבת להיות כאן, בסדר. עכשיו, נניח שאשים באמצע צביר גלקסיות -- ולא לשכוח את החומר האפל. עכשיו נחשוב על קרן אור אחרת, אחת שנעה ככה עכשיו אנחנו צריכים לקחת בחשבון מה שאיינשטיין חזה בפיתוח היחסות הכללית וזה ששדה כבידה, הנוצר בעקבות מסה, יסיט לא רק מסלול של חלקיקים, אלא יסיט גם את האור עצמו.

לכן קרן האור הזו לא תמשיך בקו ישר אלא תתעקם ותסיים את מסלולה בעין שלנו. איפה הצופה הזה יראה את הגלקסיה? אתם יכולים לענות. למעלה, נכון? אנחנו ממשיכים אחורה את כיוון הקרן ואומרים שהגלקסיה נמצאת כאן למעלה. האם יש עוד קרני אור שיכולים להגיע לעין הצופה מהגלקסיה הזו? כן, מעולה. אני רואה אנשים עושים ככה. אכן קרן אור יכולה לנוע למטה, ולהתעקם למעלה לתוך עין הצופה. והצופה יראה את קרן האור שם.

עכשיו, קחו בחשבון את העובדה שאנחנו חיים ביקום תלת-מימדי, החלל תלת-מימדי. האם יש עוד קרני אור שיכולים להגיע לעין? כן! הקרנים ייצרו -- אני רוצה לראות -- כן, חרוט. אז יש המון קרני אור -- קרני אור על חרוט -- שכולן תתעקמנה סביב צביר הגלקסיות וכולן יגיעו לעין של הצופה. אם יש חרוט של אור שמגיע לעין שלי, מה אני אראה? מעגל, טבעת. זה נקרא "טבעת אינשטיין" -- אינשטיין חזה את התופעה. עכשיו, זו תהיה טבעת מושלמת אם המקור, הגורם המעוות, וכדור העין, במקרה הזה, כולם על קו ישר אחד. אם הקו לא ישר לגמרי, נראה תמונה שונה.

עכשיו, אתם יכולים לעשות ניסוי הערב, בקבלת הפנים, להבין מה נראה כי מתברר שיש עדשה שנוכל לייצר שיש לה את הצורה הנכונה לייצור סוג כזה של אפקט אנחנו קוראים לזה "עידוש כבידתי" וכך, זה המכשיר המדעי, בסדר. (צחוק) אבל תתעלמו מהחלק העליון. זה הבסיס בו אני רוצה שתתרכזו, בסדר. אז , בבית, בכל פעם שאנחנו שוברים כוס יין אני שומרת את התחתית, לוקחת אותה לסדנא משייפים אותה, ויש לי עדשה כבידתית קטנה. יש לזה את הצורה הנכונה ליצירת העידוש. והדבר הבא שאתם צריכים לעשות בניסוי הזה זה לקחת מפית. אני לקחתי פיסת נייר משובץ, אני פיזיקאית. (צחוק) אז, מפית. לצייר מודל קטן של גלקסיה במרכז ועכשיו לשים את העדשה על הגלקסיה. ומה שתגלו זה שתראו טבעת , טבעת אינשטיין ועכשיו, הזיזו את הבסיס מעט הצידה, והטבעת תתפצל לקשתות. אתם יכולים לעשות זאת עם כל תמונה. על הנייר המשובץ אתם יכולים לראות איך כל הקוים המשובצים מופרעים ושוב, זה סוג של מודל די מדויק למה שמתרחש בעידוש כבידתי

בסדר, אז השאלה היא: האם אנחנו רואים את זה בשמים? האם אנחנו רואים קשתות בשמים כאשר אנחנו מסתכלים, נאמר, בצביר גלקסיות? והתשובה היא: כן. והנה, תמונה מטלסקופ החלל "האבל" הרבה מהתמונות שאתם רואים מקורן בטלסקופ החלל האבל. ובכן, דבר ראשון, הגלקסיות הזהובות אלו הן הגלקסיות בצביר הן אלו שמשובצות בים החומר האפל שגורם לעיקום האור ליצירת האשליה האופטית הזו, או חזיון תעתועים, בעצם, של הגלקסיות שברקע כך שכל הקוים המרוחים האלו שאתם רואים, כל המריחות הן בעצם תמונות מעוותות של גלקסיות שנמצאות הרבה יותר רחוק, מעבר

ואז מה שאנחנו יכולים לעשות, בהסתמך על כמה עיוותים אנחנו רואים בתמונות האלה, אנחנו יכולים לחשב כמה מסה חייבת להיות בצביר הזה. וזו כמות עצומה של מסה. בנוסף, אתם יכולים להגיד על ידי התבוננות בתמונה שהקשתות האלה לא מרוכזות על גלקסיות מסוימות הן מרוכזות על מבנים יותר מפוזרים וזה הוא החומר האפל שבו הצביר משובץ. אז זה הכי קרוב שאפשר להגיע לאיזשהו סוג של ראייה של לפחות ההשפעה של החומר האפל , בעין בלתי מזוינת.

אז, חזרה קצרה, לוודא שאתם עוקבים. הראיות שיש לנו שרבע מהיקום הוא חומר אפל -- הדבר שמפעיל משיכה כבידתית -- הן שגלקסיות, המהירות בה כוכבים מקיפים גלקסיות הרבה יותר מידי גדולה, הן חייבות להיות משובצות בחומר אפל. המהירות בה גלקסיות בתוך צבירים נעות גדולה מידי הצבירים חייבים להיות משובצים בחומר אפל. ואנחנו רואים את תוצא ה"עישוד הכבידתי" הזה, העיוותים האלו, שאומר, שוב, צבירים משובצים בחומר אפל.

טוב. אז עכשיו בואו נפנה לאנרגיה אפלה. כדי להבין את הראיות לקיום אנרגיה אפלה, אנחנו צריכים לדבר על משהו שסטפן הוקינג הזכיר בשיחה קודמת, וזה העובדה שהחלל עצמו מתפשט אם נדמיין חלק מהיקום האינסופי שלנו, כן ושמתי בו ארבע גלקסיות ספיראליות ודמיינו שהוספנו סרטי מדידה, כך שכל קו שם מתאים לסרט מדידה אנכי או אופקי -- כדי למדוד איפה הדברים נמצאים. אם תוכלו לעשות את זה, מה שתמצאו זה שבכל יום שחולף, בכל שנה שעוברת, בכל מליון שנה שעוברים, בסדר המרחק בין הגלקסיות הולך וגדל וזה לא מכיוון שהגלקסיות נעות ומתרחקות אחת מהשניה דרך החלל הן לא בהכרח נעות דרך החלל הן נעות ומתרחקות אחת מהשניה מכיוון שהחלל עצמו נעשה גדול יותר, בסדר. ולכך מתכוונים כשמדברים על התרחבות היקום או החלל. אז הגלקסיות מתרחקות אחת מהשניה

עכשיו, מה שסטפן הוקינג הזכיר אחרי המפץ הגדול, החלל התרחב בקצב מאוד גבוה. אך בגלל שהחומר, שגורם לכבידה נמצא בחלל הוא נוטה להאט את התרחבות החלל. בסדר לכן ההתרחבות מאיטה עם הזמן ולכן, במאה האחרונה, כן, אנשים התחילו להתווכח האם ההתרחבות הזו של החלל תימשך לנצח, האם היא תאט, אתם יודעים, תאט אבל תמשך לנצח, תאט ותעצור, עצירה אסימפטוטית או תאט, תעצור, ואז תתהפך, והיקום יתחיל להתכווץ שוב. אז קצת יותר מעשור אחורה שתי קבוצות של פיזיקאים ואסטרונומים ניסו למדוד את הקצב בו התפשטות היקום מאיטה, בסדר. בכמה פחות זה מתפשט היום, לעומת, נגיד, כמה מליארד שנים מוקדם יותר?

התשובה המדהימה לשאלה זו, כן, מהניסויים האלה, היתה שהחלל מתפשט בקצב מהיר יותר היום, מאשר לפני כמה מליוני שנה, טוב. לכן ההתפשטות של החלל בעצם מאיצה. זו היתה תוצאה מפתיעה בהחלט. אין כל טיעון תיאורתי משכנע המסביר למה זה צריך לקרות, בסדר. אף אחד לא חזה, לפני הניסויים, שזה מה שיימצא זה ההפך ממה שהיה מצופה אז אנחנו צריכים משהו שיוכל להסביר את זה. עכשיו, מתברר, במתמטיקה שאפשר לשים את זה בתור אנרגיה אבל זה סוג אחר לגמרי של אנרגיה מכל דבר שראינו בעבר אנחנו קוראים לזה אנרגיה אפלה ויש לה את ההשפעה של לגרום לחלל להתפשט. אבל אין לנו מניע טוב לשים את זה שם בנקודה זו, טוב. ובעצם אין לנו הסבר בקשר לסיבה שבגינה אנחנו צריים לשים את זה במשוואה.

עכשיו, בנקודה זו, לכן, מה שאני באמת רוצה להדגיש לכם, זה, שדבר ראשון, חומר אפל ואנרגיה אפלה הם דברים שונים לחלוטין, בסדר. יש שני דברים מסתוריים שם בחוץ שמרכיבים את רוב היקום ויש להם השפעה שונה לחלוטין חומר אפל, בעקבות המשיכה הכבידתית שלו נוטה לעודד גדילה של מבנים, בסדר. ולכן, צבירים של גלקסיות נוטים להיווצר בגלל כל המשיכה הכבידתית הזו אנרגיה אפלה, מצד שני מוסיפה יותר ויותר חלל בין הגלקסיות גורמת לזה -- למשיכה הכבידתית ביניהן -- לקטון. ולכן היא מעכבת גדילה של מבנים. ולכן בהתבוננות בדברים כמו צבירים של גלקסיות, ואיך הם -- מספרם, צפיפותם, כמה יש מהם כפונקציה של זמן -- אנחנו יכולים ללמוד איך חומר אפל ואנרגיה אפלה מתחרים אחד בשני ביצירת מבנים.

במונחים של חומר אפל, אמרתי שאין לנו שום אתם יודעים, טיעון משכנע באמת להסברת אנרגיה אפלה. האם יש לנו משהו להסברת החומר האפל? והתשובה היא: כן יש לנו מועמד משכנע לחומר אפל. עכשיו, מה אני מתכוונת כשאני אומרת משכנע? אני מתכוונת שיש לנו תיאוריות עקביות באופן מתמטי שהוצגו, למען האמת, כדי להסביר תופעה אחרת לגמרי, בסדר. משהו שאפילו לא דיברתי עליו, שכולן מנבאות את קיומו של חלקיק חדש בעל אינטראקציות מאוד חלשות

אז, זה בדיוק מה שאנחנו רוצים בפיזיקה: תחזית שיוצאת מתוך תיאוריה עקבית באופן מתמטי שבעצם פותחה עבור נושא אחר אבל אנחנו לא יודעים אם מישהו מאלה הוא באמת המועמד להיות החומר האפל, בסדר. אחד או שניהם, מי יודע? או שזה יכול להיות משהו שונה לגמרי עכשיו, אנחנו מחפשים את חלקיקי החומר האפל האלו בגלל שלאחר הכל, הם כאן בחדר, בסדר. והם לא באו דרך הדלת הם פשוט עברו דרך הכל הם יכולים לעבור דרך הבנין, דרך כדור הארץ הם כל כך חסרי-אינטראקציה

כך שאחת הדרכים לחפש אחריהם היא לבנות גלאים מאוד רגישים לחלקיקי חומר אפל שעוברים דרכם ומתנגשים בהם כמו גביש שיצלצל כשזה קורה. כך שאחד מעמיתי במעלה הכביש, וקבוצתו בנו גלאי כזה והם התקינו אותו עמוק באדמה, במכרה ברזל במיניסוטה. כן? -- עמוק באדמה -- למעשה, בימים האחרונים הם הכריזו על התוצאות הכי רגישות עד כה הם לא ראו כלום. בסדר, אבל זה שם גבול עליון על המסה וחוזק האינטראציה שלחלקיקי החומר האפל האלה יש בהמשך השנה עומד להיות משוגר טלסקופ על לווין והוא יסתכל לכיוון מרכז הגלקסיה כדי לבדוק האם נוכל לראות חלקיקי חומר אפל מתאיינים ומפיקים קרינת גמא שיכולה להתגלות בעזרתו "מנגיש ההדרונים הגדול", מאיץ חלקיקים שיופעל מאוחר יותר בשנה זו זה אפשרי שחלקיקי חומר אפל ייוצרו במנגיש ההדרונים הגדול

עכשיו, בגלל שהם כל כך חסרי-אינטראקציה הם בעצם יברחו מהגלאי כך שהסימן לנוכחותם יהיה אנרגיה חסרה, בסדר. עכשיו, לרוע מזלנו, יש הרבה דברים חדשים שהסימן לנוכחותם הוא אנרגיה חסרה. ולכן יהיה קשה להבדיל ולבסוף, כנסיונות עתידיים, ישנם טלסקופים שעוצבו במיוחד כדי לענות על השאלות של חומר אפל ואנרגיה אפלה: טלסקופים על הקרקע. ושלושה טלסקופים שיהיו בחלל מתמודדים כעת לשיגור לצורך חקירת חומר אפל ואנרגיה אפלה. אז, במונחים של השאלות הגדולות: מה הוא חומר אפל? מה היא אנרגיה אפלה? השאלות הגדולות העומדות בפני הפיזיקה. ואני בטוחה שיש לכם הרבה שאלות, שעליהן אני מצפה להתייחס במהלך 72 השעות הקרובות, כל עוד אני כאן. תודה (מחיאות כפים)