לימוד חומר אפל, החומר המסתורי ביותר ביקום

אולי השאלה הגדולה ביותר באסטרונומיה כרגע היא שאלה שנשמעת פשוטה: ממה עשוי היקום? אנחנו יודעים על פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים, ואנחנו יודעים שהחלקיקים האלה משתלבים כדי ליצור את היקום שאנחנו צופים בו: כוכבים, כוכבי לכת, שביטים וחורים שחורים.

אבל כל זה הוא רק חלק קטן ממה שקיים. חומר רגיל, מה שאסטרונומים מכנים חומר בריוני, נמצא במיעוט כשמסתכלים על היקום שלנו כמכלול. היקום נשלט למעשה על ידי חומר אפל ואנרגיה אפלה, שני דברים מסתוריים שמעולם לא גילינו ישירות.

כדי לחקור את החידה המוזרה ביותר הזו, סוכנות החלל האירופית (ESA) בונה את החלל האוקלידס טלסקופ, פרויקט חדשני לחקור גם חומר אפל וגם אנרגיה אפלה שישוגר בשנת 2022.

כדי ללמוד עוד על האופן שבו אתה בונה כלי לחיפוש אחר משהו בלתי נראה, דיברנו עם רנה לורייס, מדען הפרויקט של אוקלידס.

רואים רק את ההשפעות

גם החומר האפל וגם האנרגיה האפלה הם מבנים תיאורטיים, בכך שיש לנו סיבה טובה להאמין שהם קיימים, למרות שאף אחד מהם מעולם לא זוהה ישירות. במקום זאת, אנו יודעים שהם חייבים להיות שם כי אנו רואים את ההשפעות שלהם על היקום.

"חומר אפל הוא משהו שאתה רואה רק את ההשפעות שלו," הסביר לורייס. "אז אתה רואה משהו זז, או דברים מושכים אחד את השני, ואתה לא יודע מה גורם לזה. אנו רואים את זה גם באסטרונומיה שדברים נמשכים, או שדברים זזים, ועל ידי התבוננות במה שמתרחש מסביב, איננו יכולים להסביר את התנועות הללו בנוכחות של חומר רגיל."

משיכה זו בולטת באמת רק בקנה מידה גדול מאוד, בהסתכלות על עצמים בגודל של גלקסיות. בהתחלה, אסטרונומים חשבו שאולי משהו לא בסדר בתיאור הכבידה שלהם, וזו הסיבה שהוא נראה אחרת בקנה מידה אסטרונומי. אבל עכשיו הם משוכנעים במידה רבה שזה חלקיק שגורם להשפעות האלה, אם כי זיהוי החלקיק עצמו הוא אתגר מתמשך. "מעולם לא ראינו את זה, אבל אנחנו רואים ראיות עקיפות למשהו שמתנהג כמו חומר אבל לא ניתן לראותו. וזה מה שאנחנו מכנים חומר אפל", אמר לורייס.

ואז יש אנרגיה אפלה. זה דומה לחומר אפל בכך שהוא מבנה המשמש להסבר תצפיות בלתי צפויות על היקום. אבל זה שונה מאוד בכך שאסטרונומים חושבים שזה יכול להיות סוג של אנרגיה, ולא חלקיק. זה משמש כדי להסביר את התפשטות היקום. אנחנו יודעים שהיקום מתרחב, אבל תצפיות בשנות ה-90 מכלים חדשים כמו טלסקופ החלל האבל זעזעו את האסטרונומים כשהראו שקצב ההתפשטות מואץ.

"זה אפקט מאוד עדין, אבל על ידי מדידה מדויקת של המרחקים לגלקסיות רחוקות, אנשים גילה לפני 20 שנה שהיקום לא רק מתרחב, אלא מתרחב בצורה מואצת". לורייס הסביר. "זה אומר שיש אנרגיה נוספת שדוחפת את הגלקסיות החוצה, ומסתבר שהתאוצה הזו התחילה באמצע עידן היקום, לפני כ-6 מיליארד שנים. זו באמת חידה, למה זה קרה. אז יש כוח נוסף שפועל נגד כוח הכבידה, שדוחף את כל הגלקסיות החוצה בצורה מואצת, וזה מה שאנחנו מכנים אנרגיה אפלה."

מה שבאמת מדהים בחומר האפל ובאנרגיה האפלה הוא עד כמה הם נפוצים. כאשר בוחנים את מרכיב האנרגיה הכולל של היקום, הערכות נוכחיות מראים שכ-68% מהיקום הם אנרגיה אפלה, בעוד ש-27% הם חומר אפל. כל החומר הרגיל שאנו רואים סביבנו - כל כוכב, כל כוכב לכת, כל מולקולת גז - מסתכם רק ב-5% מכל מה שקיים.

אז יש 95% מהיקום שאנחנו בקושי מבינים בכלל. "זו הפאזל הכי גדול שיש לנו כרגע בפיזיקה ובאסטרונומיה", אמר לורייס. "כאסטרונום, זה באמת נהדר להיות בנקודת הזמן הזו, לעבוד על הבעיה הזו."

איך לצוד את הבלתי נראה

השיטה המסורתית לחיפוש אחר אנרגיה אפלה הייתה למדוד את התפשטות היקום על ידי צפייה בסופרנובות. אם סופרנובה מתפוצצת בגלקסיה מרוחקת, נוכל לעקוב אחר האנרגיה שהיא מפיקה כדי להעריך כמה רחוקה היא - אבל יש מגבלות לגישה זו. אז בעשורים האחרונים הגו שתי שיטות חדשות למדידת התפשטות היקום, ואוקלידס יעשה שימוש בשתיהן.

השיטה הראשונה היא לבחון את התפלגות הגלקסיות על פני היקום. אסטרונומים מסתכלים על המרחק לגלקסיה וצופים בהיסט לאדום שלה (הדרגה שבה האור מאותה גלקסיה מוזז לקצה האדום של הספקטרום), ומכאן הם יכולים להבין כמה מהר הגלקסיה מתרחקת ממנה לָנוּ.

השיטה השנייה היא להתבונן ב הפצה של חומר אפל. אנו יודעים שהתפלגות החומר הרגיל עוקבת אחר התפלגות החומר האפל, ויש הרבה יותר חומר אפל מחומר רגיל בחוץ. ניתן לראות את השפעות הכבידה של החומר האפל באמצעות טכניקה הנקראת עדשת כבידה, שבה מסת החומר האפל מכופפת אור סביבה.

זו הסיבה שאוקלידס מחפש גם חומר אפל וגם אנרגיה אפלה - כי למידה על האחד יכולה ללמד אותנו גם על האחר.

רמת דיוק מדהימה

כדי לאסוף את סוגי הנתונים הנדרשים לחקר אנרגיה אפלה וחומר אפל, הכלים פשוטים יחסית מבחינה רעיונית. לאוקלידס שני מכשירים עיקריים: מצלמת אינפרא אדום/ספקטרומטר ומצלמה אופטית ענקית.

למכשיר האינפרא אדום יש מסננים שונים ומנסרות סורגים המאפשרים לו למדוד את ההיסט לאדום של גלקסיות רחוקות, מה שמראה עד כמה הן מתרחקות מאיתנו. המצלמה האופטית היא פסיפס של 36 חיישנים שנותנים רזולוציה כוללת של מעל 600 מגה פיקסל, מה שמביא לתמונות חדות במיוחד, כמו גרסה הרבה יותר מדויקת של מצלמה דיגיטלית. ואז יש את הטלסקופ עצמו עם המראה שלו בגודל 1.2 מטר.

האתגר בבניית החומרה הוא רמת הדיוק הגבוהה להפליא הנדרשת. העיוותים שמדענים מחפשים עקב נוכחותם של חומר אפל ואנרגיה אפלה הם כה קטנים שהמכשירים צריכים להיות רגישים להפליא, מסוגלים לקלוט אפילו את התנודות הקטנות ביותר בקריאות. אבל זה אומר שכל שינוי בסביבת הטלסקופ עצמו יכול לעוות את הנתונים בצורה משמעותית. אפילו משהו קטן כמו הפעלת אלקטרוניקה בתוך הלוויין יהיה מורגש בקריאות שהוא לוקח.

"הטלסקופ נבנה בצורה כזו שהוא יציב במיוחד ונותן תמונות חדות מאוד", אמר לורייס. "ויש לו שדה ראייה גדול מאוד. אם מחברים הכל ביחד - יציב, חד ושדה ראייה גדול - מקבלים עיצוב בלתי אפשרי! אז זה מאוד קשה".

אחת הדרכים שבהן הצוות ניגש לבעיית התכנון הזו היא על ידי הצבת הטלסקופ בחלל, היכן שהוא יהיה בהרבה יותר סביבה יציבה ויכולה לצלם תמונות חדות פי ארבעה עד חמישה מהתמונה החדה ביותר שאפשר היה לצלם ממנה כדור הארץ. אבל עדיין יש את הבעיה של אור השמש, שכן התאמת הלוויין ביחס לשמש תשנה את כמות החום שהוא מקבל. אפילו שינוי של כמה מיליוואטים של אנרגיה מספיק כדי לגלות את המכשירים.

הבעיה הגדולה ביותר שאיתה נאלצים להתמודד מתכנני טלסקופים היא ההתרחבות. כאשר חומרים מתחממים, הם מתרחבים, ואפילו תנודה זעירה בטמפרטורה עלולה לגרום לחלקים מהטלסקופ להתנפח ולהכניס עיוותים לנתונים.

כתוצאה מכך, רוב רכיבי האוקלידס בנויים מחומר יוצא דופן הנקרא סיליקון קרביד. לקרמיקה זו מקדם התפשטות נמוך במיוחד, מה שאומר שהיא מתרחבת מעט מאוד כשהיא מתחממת. ומכיוון שהוא משמש בכל המכשירים, אם הוא מתרחב, הוא עושה זאת בצורה אחידה. אפילו המסגרות של החיישנים עשויות מסיליקון קרביד, וכך גם המראה הראשית של הטלסקופ. המראה עברה ליטוש גבוה עד לסובלנות של כמה ננומטרים, תהליך שנמשך כמעט שנה.

כל הטיפול הזה אומר שהלוויין יציב במיוחד, ויוכל לצלם תמונות חדות ומדויקות.

להציע משהו לאנושות

בעוד לחקר החומר האפל והאנרגיה האפלה יש בעיקר חשיבות לפיזיקה תיאורטית, לציד יכולות להיות גם השלכות מעשיות. ראשית, החומרה המיועדת לפרויקטים כמו Euclid וטכניקות המדידה המפותחות יכולות לשמש במגוון שלם של תחומים שונים. שנית, יש את השפע העשיר של נתונים שאאוקלידס יאסוף.

"עם הנתונים שלנו, אנחנו לא רק מודדים אנרגיה אפלה וחומר אפל, אלא אנחנו מצלמים תמונות של כל מה שאנחנו רואים בשמים באורכי הגל האלה", אמר לורייס. "אז יש בזה הרבה יותר אסטרונומיה. וזה גם חלק מרגש, כי אנחנו מציעים משהו לאנושות, לאסטרונומים שהוא כל כך חדש. בעוד שמונה שנים, אתה יכול להיכנס לאתר של ESA ולעבור לכל עמדה בשמיים ולראות איך זה נראה, ברזולוציה עצומה, עד לעומק של לפני 10 מיליון שנה".

עם זאת, בראש ובראשונה, החיפוש אחר חומר אפל ואנרגיה אפלה עוסק בהבנה כיצד היקום שלנו פועל על הבסיסיות ביותר רמה, ועונה על שאלה שמבלבלת לחלוטין כרגע: "מה שאנחנו רואים סביבנו הוא רק 5% ממה שיש ביקום שלנו. 95% האחרים הם חומר אפל ואנרגיה אפלה, משהו שאנחנו בקושי יכולים להסביר", אמר לורייס. "זו, עבורי, הסיבה הבסיסית לכך שאנחנו עושים אוקלידס."

השאלה המוזרה והבלתי ניתנת להסבר היא ממה מורכב היקום שמניעה מדענים, מהנדסים ואסטרונומים שעובדים על חומר אפל. כי מה שאנו רואים סביבנו הוא רק מגרד את פני השטח של מה שקיים בלא נודע.