במשך עשרות שנים, ה חומר אפל זה היה הפנטום הגדול של הקוסמוס: אנחנו יודעים שהוא שם בגלל ההשפעות שלו, אבל אף גלאי לא הצליח לתפוס אותו חזיתית. כעת, ניתוח חדש מטלסקופ החלל פרמי לקרני גמא של נאס"א מצביע על... עקבות ישירים אפשריים של אותו חומר בלתי נראה, סימן שיכול לשנות את האופן שבו אנו מבינים את היקום.
העבודה, בהובלת פרופסור טומונורי טוטאניחוקר מאוניברסיטת טוקיו טוען שקרני גמא מסוימות שנצפו סביב מרכז שביל החלב תואמות את הציפיות מה... השמדת חלקיקי חומר אפל תיאורטייםהמחקר, שפורסם בכתב העת המדעי כתב עת לקוסמולוגיה ופיזיקה של אסטרוחלקיקיםזה עורר עניין רב בקרב הקהילה הבינלאומית, כולל זו האירופית, אם כי מלווה במנה טובה של זהירות.
מחשד בשנות ה-30 לאינדיקציה ישירה אפשרית
ההיסטוריה של חומר אפל זה התחיל בשנות ה-30 של המאה ה-20, כאשר האסטרונום השוויצרי פריץ צוויצקי הבין שחלק מהגלקסיות נעות מהר מדי ביחס למסה הנראית לעין שלהן. מהירויות אלו היו הגיוניות רק אם היה שיספק כוח משיכה נוסף
עם הזמן, הערכות קוסמולוגיות גיבשו תמונה מטרידה למדי: רק 5% מהיקום מורכב מחומר רגילגם האור מכוכבים, כוכבי לכת או אנשים הוא משמעותי. כ-27% הוא חומר אפל, וכ-68% מיוחסים לאנרגיה אפלה, ישות חמקמקה עוד יותר. אף אחד מהם לא ניתן לצפות בו ישירות דרך אור.
עד כה, כל מה שידוע על חומר אפל הגיע מ... מדידות עקיפותכיצד הוא משפיע על סיבוב הגלקסיות, כיצד הוא משפיע על היווצרות צבירים, או כיצד הוא משנה את תנועת הכוכבים במסלוליהם. עם זאת, עדיין היה צורך במגע קרוב יותר: גילוי כל אות הקשור לחלקיקים היסודיים שלו.
הבעיה הגדולה היא שלפי המודלים, חלקיקים אלה אינם מקיימים אינטראקציה טובה עם הכוח האלקטרומגנטי: הם לא סופגים, הם לא מחזירים ו... הם לא פולטים אורמבחינה מעשית, הם בלתי נראים לטלסקופים קונבנציונליים, מה שהפך אותם לאחת החידות העקשניות ביותר של הפיזיקה המודרנית, גם עבור קבוצות מחקר אירופאיות המוקדשות לאסטרופיזיקה של אנרגיה גבוהה.
השערת WIMP והחיפוש אחר טביעת אצבע של קרני גמא
אחת התיאוריות המשפיעות ביותר מציעה שחומר אפל מורכב מ... חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשהחלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה ידועים בראשי התיבות שלהם, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). הם יהיו כבדים יותר מפרוטון, אך כמעט חסינים למגע עם חומר רגיל, למעט כוח הכבידה והאינטראקציה החלשה.
מודלים תיאורטיים מצביעים על כך, כאשר שני WIMPs נפגשים, הם יכולים להשמיד אחד את השני. ולהפוך את המסה שלה לחלקיקים אחרים, כולל פוטוני קרני גמא בעלי אנרגיות ספציפיות מאוד. "חתימת אנרגיה" זו הפכה לרמז הבא: אם עודף של קרני גמא עם האנרגיה הנכונה נצפה בשמיים, וגם עם פיזור מרחבי התואם את זה של חומר אפל, ייתכן שזוהי טביעת האצבע שלה.
מסיבה זו, אזורים שבהם צפוי [לא ברור] מנוטרים במשך שנים. צפיפות גבוהה של חומר אפל, במיוחד מרכז שביל החלב ו- גלקסיות ננסיות מקיפים את סביבתנו. פרויקטים רבים הושקו מאירופה, הן עם טלסקופי קרני גמא קרקעיים והן עם גלאים תת-קרקעיים המנסים ללכוד פגיעות ישירות של חלקיקי חומר אפל.
למרות מאמצי מצפי כוכבים ברחבי העולם, כולל מכשירים אירופיים גדולים, התוצאות היו חמקמקות: אף ניסוי לא השיג אות חד משמעיהיו אינדיקציות, תנודות ואנומליות, אך דבר שלא חרג מרף הוודאות הסטטיסטית הנדרש על ידי פיזיקת החלקיקים.
נתוני טלסקופ פרמי ואות 20 GeV
נקודת המפנה מגיעה עם ניתוח הנתונים העדכניים ביותר מ... טלסקופ החלל פרמי גמא קרני מנאס"א, מכשיר שנועד לצוד את הפוטונים האנרגטיים ביותר בשמיים. טוטאני בחן בקפידה את הרישומים הללו וטוען שזיהה קרני גמא בעלות אנרגיה הקרובה ל-20 גיגה-אלקטרון-וולט (GeV) אשר מפוזרים בצורת הילה סביב מרכז שביל החלב.
על פי המחקר, מבנה ההילה הזה תואם את מה שהמודלים צופים. פיזור החומר האפל בגלקסיה שלנו. האות אינו מופיע מרוכז בנקודה אחת, כפי שקורה עם מקור מבודד, אלא מתפזר באופן התואם למאגר גדול של חלקיקים כהים באזור המרכזי.
יתר על כן, ספקטרום האנרגיה של הפוטונים שזוהו ממצא זה תואם את הציפיות להשמדה של WIMPs בעלי מסה גדולה פי 500 בערך מזו של פרוטון. יתר על כן, התדירות המשוערת של השמדות אלו נשארת בטווח המקובל תיאורטית, מה שמחזק את ההתאמה בין תצפיות למודלים.
במאמרם, הצוות טוען כי האות זה לא ניתן להסביר בקלות על ידי תהליכים אסטרופיזיקליים רגיליםכגון פעילות פולסרים, שרידי סופרנובה או פליטות מפושטות של קרינה קוסמית. פער זה עם הסברים קונבנציונליים הוא שהופך את הממצא הזה לאינדיקציה אפשרית ישירה לחומר אפל.
העבודה כוללת טבלה עם הפרמטרים המרכזיים של התצפית: ה- אנרגיה פוטונית של 20 GeVפיזור ההילות סביב מרכז הגלקסיה, הפרשנות במונחים של השמדת WIMP, והמסה המשוערת של חלקיקים אלה, הגדולה פי 500 מזו של הפרוטון, מוצגים כולם בהקשר של פרסומם ב... כתב עת לקוסמולוגיה ופיזיקה של אסטרוחלקיקים, אחד מכתבי העת המובילים בתחום הקוסמולוגיה והאסטרו-חלקיקים.
למה יש דיבורים על מבט ישיר ראשון אפשרי?
במאמר עצמו ובהצהרותיו הבאות, טוטאני הלך צעד נוסף קדימה בכך שציין שאם פרשנותו נכונה, זו תהיה הפעם הראשונה שהאנושות "רואה" חומר אפלזה כבר לא יהיה רק עניין של להבחין בנוכחותם באמצעות כוח הכבידה, אלא של התבוננות בקרינה שהחלקיקים שלהם ייצרו בעת השמדה.
הפיזיקאי מתעקש שאות זה יצביע על חלקיק חדש שאינו חלק מהמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, המסגרת התיאורטית המתארת בדיוק עצום את כל מה שאנחנו יודעים עד כה על העולם התת-אטומי. הכללת חומר אפל במסגרת זו תדרוש תיקון והרחבה של התיאוריה הנוכחית.
עבור הקוסמולוגיה, אישור כזה יהיה חלק מכריע: הוא יאפשר לכייל טוב יותר את פיזור החומר ביקוםכדי להבין ביתר פירוט כיצד גלקסיות מורכבות ולהסביר מדוע למבנים קוסמיים יש את הצורה שאנו רואים כיום.
במונחים מעשיים, אות כמו זה שתואר יעניק לצוותי תצפית - כולל קונסורציומים אירופאיים של טלסקופי קרני גמא - א מטרה חדשה, ספציפית מאודחפשו את אותה חתימת אנרגיה באזורים אחרים עשירים בחומר אפל כדי לבדוק אם אותו דפוס חוזר על עצמו.
טוטאני, עם זאת, מדגיש שהתוצאה נותרה אינדיקציה, לא הוכחה חד משמעיתהאות תואם את התיאוריה, אך עדיין יש לשלול לחלוטין כל מקור אפשרי אחר של קרני גמא באזור המנותח.
הזהירות של הקהילה המדעית ותפקידה של אירופה
כפי שקורה לעתים קרובות בהכרזות שעלולות לשנות ספרי לימוד, התגובה של מומחים אחרים הייתה תערובת של עניין וזהירות. טוטאני עצמו מודה בכך יש לאמת את תוצאותיהם באופן עצמאי ושהפרשנות שלה אינה סוגרת לחלוטין את הדלת להסברים חלופיים למקור אסטרופיזי.
אחד הקווים הנחשבים בעדיפות עליונה הוא לחזור על החיפוש אחר אות זהה בגלקסיות ננסיות מהילה של שביל החלב. גלקסיות קטנות אלה, המקיפות את שלנו, הן מועמדות אידיאליות משום שהן נחשבות כמכילות כמויות גדולות של חומר אפל, אך יחד עם זאת מייצרות פחות "רעש" של קרני גמא מאשר מרכז הגלקסיה הסואן.
האסטרופיזיקאי ג'סטין קרא, מאוניברסיטת סארי (בריטניה), הזכיר שעד עכשיו לא נמצאו אותות ברורים בגלקסיות ננסיות המאשרים את השמדת WIMP, דבר שלדעתו מתנגש עם פרשנות קטגורית יתר על המידה של התוצאה החדשה. עמדתו אינה שוללת את הרלוונטיות של העבודה, אך הוא מדגיש שהתחום זקוק לראיות שסוגרות כל פרצה להסברים חלופיים.
מאוניברסיטת קולג' לונדון, פרופסור קינווה וו הוא הדגיש את הרף שגילוי כזה חייב להתגבר עליו: הוא קובע כי "טענה יוצאת דופן דורשת ראיות יוצאות דופן" וכי, לעת עתה, הניתוח אינו מגיע לרמת ודאות זו. למרות זאת, הוא רואה במחקר תמריץ חשוב עבור אלו החוקרים חומר אפל מאירופה ומיבשות אחרות.
קבוצות אירופאיות שעובדות על טלסקופים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד, כגון פרויקטים הקשורים לעתיד מערך טלסקופי צ'רנקוב (CTA)הם עוקבים מקרוב אחר אותות כאלה. מבחינתם, עקבות ישירים אפשריים של חומר אפל זוהי מטרה בעלת עדיפות לתצפיות בשנים הקרובות, הן במרכז הגלקסיה והן בצבירי גלקסיות ולוויינים ננסיים.
מה נותר לבדוק ומה עשוי לבוא בהמשך
אחת הנקודות המרכזיות היא להבהיר האם ניתן להסביר את אות 20 GeV על ידי מקורות אסטרופיזיקליים ידועיםמרכז שביל החלב הוא אזור מורכב, עם סופרנובות עתיקות, פולסרים, סילונים בעלי אנרגיה גבוהה וקרינת רקע עזה, שכולם מייצרים פוטונים שמסבכים מאוד את הפרשנות.
מסיבה זו, החוקרים מתעקשים כי הרחב את הניתוח לסביבות אחרות, פחות רועשותעצמים כמו הגלקסיות הננסיות המקיפות את שביל החלב יהיו חיוניים בחיזוק או החלשת השערת החומר האפל. אם יתגלה עודף של קרני גמא עם האנרגיה והפיזור הצפויות בעצמים אלה, הטיעון להסבר מבוסס WIMP יתחזק משמעותית.
האימות ידרוש את שניהם קמפיינים חדשים לתצפית כגון שיטות אנליטיות מעודנות יותר, המסוגלות להפריד בצורה נקייה יותר את אות החומר האפל הפוטנציאלי מפליטות אחרות. בהקשר זה, שיתוף פעולה בין מרכזי מחקר ביפן, אירופה ומדינות אחרות יהיה קריטי.
בינתיים, תיאורטיקנים עובדים על האפשרות שהחלקיק האחראי לחומר אפל הוא למעשה סוג של WIMP עם מסה בסדר גודל של פי 500 מזה של הפרוטוןאם יאושר, פיזיקת החלקיקים תיאלץ להרחיב את המודל הסטנדרטי כדי להתאים את הישות החדשה הזו.
למרות שבינתיים הכל נשאר בגדר האפשר, הרעיון ש ייתכן שאנחנו מסתכלים על העקבות הישירים הראשונים של חומר אפל זה מסמן נקודת מפנה: חקר היקום מפסיק להתבסס אך ורק על אור נראה או על גרסאותיו הידועות ביותר, ומתחיל להסתמך על עקבות אנרגטיות עדינות שיכולות לחשוף את מה שנותר מוסתר עד כה.