מאמר מספר 60 על בעיות לא פתורות בקוסמולוגיה ואסטרופיזיקה - המשך
מאת עמי אור
המאמרים 59-63 דנים בבעיות הלא פתורות בקוסמולוגיה ואסטרופיזיקה. ישנן כמובן גם בעיות אחרות לא פתורות בפיזיקה, שיתכן ואתייחס אליהן בעתיד.
קריאה מהנה ואשמח לענות על שאלות ולשמוע תגובות.
אסטרונומיה גלקטית ואסטרופיזיקה
11. עקומת סיבוב של גלקסיה ספירלית טיפוסית: מדוע מהירות הסיבוב של כוכבים בזרועות הספירליות של הגלקסיה, מהירה יותר מהמצופה (ראה איור) על כך כתבתי בפוסט 36 ראה קישור. (וראה גם בפוסט 51) האם ניתן לייחס את הפער בין העקומות לחומר אפל או שתאוריית הדינמיקה הניוטונית המתוקנת היא הסבר אפשרי? האם קיים הסבר אחר לכך?
מהירות הסיבוב של גופים שמימיים תלויה במסת הגוף סביבו הם נעים ובמרחקם ממנו. למשל, במערכת השמש מהירות הסיבוב של הפלנטות סביב השמש, הולכת ויורדת ככל שהן רחוקות יותר מהשמש. אבל בגלקסיות נצפתה תופעה לא מוסברת, מהירות הסיבוב של הזרועות בגלקסיות ספירליות היא הרבה יותר גבוהה ממה שמתקבל על ידי חישוב המסה שלהן. הפער גדול אף יותר בזרועות מרוחקות ממרכז הגלקסיה – מדידות של מהירות הכוכבים המרוחקים ממרכז הגלקסיה גילו שמהירות הסיבוב שלהם אינה יורדת ככל שהכוכבים רחוקים יותר מהמרכז. לתופעה זו אין הסבר וההנחה המקובלת היא שקיים חומר אפל, חומר בלתי נראה שלא פולט או קולט קרינה כלשהי, ולכן קשה מאוד לאתרו. לפי החישובים, כ - 4% מהחומר ביקום הוא חומר בריוני רגיל, 23% הוא חומר אפל, ו - 73% הוא אנרגיה אפלה (שגם עליה איננו יודעים כרגע הרבה). במילים אחרות, כל הכוכבים שאנו רואים ביקום המכילים חומר "רגיל" מהווים רק 4 אחוזים!! בלבד מתכולת החומר / אנרגיה ביקום.
החומר האפל התאורטי מסביר לא רק את מהירות הסיבוב של גלקסיות, אלא גם את פיזורן של גלקסיות ביקום. אחת הבעיות הלא פתורות במודל המפץ הגדול, היא שלעומת קרינת הרקע הקוסמית שהיא כמעט במאה אחוז אחידה, פיזור הגלקסיות נראה אקראי ולא מוסבר, עם צבירי גלקסיות מצד אחד, וחללים ריקים כביכול מצד שני. אמנם נצפו שינויים זעירים בצפיפות קרינת הרקע וייתכן ששינויי צפיפות קטנים אלה קיבצו סביבם יותר ויותר חומר באמצעות כוח הכבידה, וכך נוצרו במשך השנים גופים גדולים. הבעיה היא שגיל היקום אינו מספיק כדי להסביר את התהליך האיטי הזה. תוספת של חומר אפל מסבירה זאת, ולפי החישובים אחוז החומר האפל שנחוץ כדי להסביר היווצרות גלקסיות משינויי הצפיפות בקרינת הרקע, הוא בקירוב אותו אחוז שנחוץ כדי להסביר את מהירות הסיבוב של גלקסיות.
לא ידוע מה טיבו של החומר האפל, והאם הוא קיים או שלתופעות יש הסבר אחר. תאוריה אחת גורסת שהחומר האפל הוא חומר באריוני רגיל כלומר נייטרונים ופרוטונים; תאוריה אחרת גורסת שהחומר האפל הוא חלקיקי הניטרינו המהירים, שהמסה שלהם היא אמנם זעירה אבל הם רבים מאוד ותאוריה שלישית מסבירה שהחומר האפל הוא חלקיק במערכת הסופר סימטריה (ראה 12 להלן).
תאוריה אחרת היא דינמיקה ניוטונית מתוקנת (דינ"ם, באנגלית: Modified Newtonian Dynamics או MOND) היא תאוריה פיזיקלית בתחום האסטרופיזיקה המנסה למצוא פתרון לבעיית כמות המסה ביקום, כלומר פתרון לפער בין המסה המתגלה בתצפיות אסטרונומיות לבין התחזיות של חוקי הפיזיקה. תיאורית הדי"נם מציעה לבצע שינוי קטן בחוקי ניוטון כדי לפתור את הבעיה, ובכך מהווה תאוריה חלופית לתאוריית "החומר האפל" (Dark Matter).
פרופסור מרדכי מילגרום הישראלי, הגה את התיאוריה. בשנת 1983 הוא פרסם שלושה מאמרים בנושא שמהווים את אבן היסוד של התאוריה שלו, שמכניסה שינויים בחוקי הכבידה של ניוטון.
מילגרום מציע לבצע תיקונים בעיקר בחוק השני (F=ma) ובחוק הכבידה האוניברסלי (אשר נחשבים לאבן יסוד בפיזיקה הקלאסית). תיקונים אלה נועדו להסביר את התצפיות שהתקבלו ובכך למצוא פתרון לבעיית המסה, הנוצרת בעיקר בשולי הגלקסיות.
כיום, דינ"ם תואמת את התצפיות ואת מדידות מהירות הסיבוב של הגלקסיות בצורה מדויקת יותר מתאוריית החומר האפל. למרות זאת, רק מיעוט בקרב המדענים תומך בתאוריית הדינ״ם. ניסויים עכשוויים החוקרים את מהות שדה הכבידה ואת חוקי התנועה צפויים לספק מידע נוסף שיאפשר להכריע איזו תאוריה עדיפה. אם דינ"ם תתגלה כתאוריה עדיפה, ייתכן וחוקים פיזיקליים נוספים המתבססים על חוקי ניוטון יתבררו כטעוני תיקון.
12. בעיית המסה החסרה: מה זהותו של החומר האפל? האם הוא מורכב מחלקיקים? האם מדובר בשותף על קל ביותר (LSP)? או שהאם התופעות המיוחסות לחומר אפל מצביעות לא על צורה כלשהי של חומר, אלא למעשה על הרחבה משוערת של הכבידה, שנובעת מתיקון של חוק הכבידה?
החומר הבריוני (הרגיל) מהווה רק כ 5 אחוז מתכולת החומר אנרגיה ביקום. השאר כ 28 אחוז מיוחס לחומר אפל והיתרה לאנרגיה אפלה. לא ברור כיום מהו החומר האפל ואחת ההשערות היא כי מדובר בשותפי על. השערת הסופר־סימטריה גורסת, כי לכל חלקיק בטבע ישנו בן-זוג הזהה לו בכל המטענים שלו, בעל אותה המסה, אך בעל ספין שונה ב-1/2. סופר־סימטריה לא קיימת בטבע באנרגיות נמוכות ולכן ההשערה היא שהסימטריה שבורה. כתוצאה מכך, לבני הזוג הסופר־סימטריים מסה שונה מהחלקיקים של המודל הסטנדרטי. בני-הזוג הסופר־סימטריים הללו נקראים "שותפי על" (superpartners). שותפי העל כבדים במספר סדרי גודל מבני-הזוג ה"סטנדרטיים" שלהם, ולכן עד כה לא נצפו במאיצי החלקיקים הקיימים. אם אכן זו התאוריה הנכונה אזי יתכן שהמסה החסרה של החומר האפל מצויה בשותפי העל הללו.
כפי שזה נראה כעת, אף חלקיק מהמודל הסטנדרטי לא יכול להיות שותף־על של חלקיק אחר, כך שאם סופר־סימטריה נכונה, חייבים להימצא עוד חלקיקים רבים שעדיין לא נתגלו, בערך כמספר החלקיקים במודל הסטנדרטי.
13. קשר עידן המתכות בדיסק הגלקטי: האם קיים קשר בין העידן המתכתי האוניברסלי לדיסק הגלקטי? אף על פי שבדיסק המקומי של שביל החלב אין שום עדות לקשר, נעשה שימוש במדגם של 229 כוכבי דיסק סמוכים כדי לחקור את קיומם של קשר עידן-מתכתי בדיסק גלקטי, ומציינים כי קיים קשר עידן-מתכתי בדיסק. מחקרים מובילים בקוסמולוגיה מאשרים את היעדר הקשר העידן-מתכתי של הדיסק.
מתכתיות בכוכבים היא תוצאה של היות הכוכבים מדורות מתקדמים. המתכות הופצו ביקום ע"י התפוצצויות סופרנובה שזרעו מתכות בגז הבינכוכבי שממנו נוצרו כוכבים חדשים. הימצאות מתכות בכוכבם יכולה לשנות את מהלך חייהם ואת תהליכי הבערה שלהם. לשמש שלנו שהיא מדור 3 יש כ 2 אחוז מתכות בתכולתה.
14. מקורות רנטגן אולטרה-לומינאיים (ULX): מהן מקורות הרנטגן שאינם קשורים לגרעינים גלקטיים פעילים אך חורגים מגבול אדינגטון של כוכבי נייטרונים או חורים שחורים כוכביים? האם הם נובעים מחורים שחורים במסה בינונית?
בהירות אדינגטון, הידועה גם בשם גבול אדינגטון, היא שיא הבהירות שגוף שמיימי כמו כוכב, יכול להשיג בשיווי המשקל בין לחץ קרינה שהוא פולט החוצה וכח הכבידה של משקלו הדוחף פנימה. שיווי משקל זה נקרא שיווי משקל הידרוסטטי. כאשר כוכב עובר את בהירות אדינגטון הוא יוצר רוח שמש חזקה ביותר מהשכבות החיצוניות שלו ועלול להתפרק. כיוון שלרוב הכוכבים המסיביים בהירות פחותה בהרבה מבהירות אדינגטון הם מייצרים רוח שמש בתהליך הרבה פחות עוצמתי. ההסבר של בהירות אדינגטון נוצר כדי להסביר את הבהירויות העצומות בתהליכים כמו ספיחה של חור שחור וקוואזרים. על פי החישובים המעודכנים, גבול אדינגטון יבוא לידי ביטוי בכוכבים בעלי מסה של 150 מסות שמש ויותר כמו למשל הכוכב המסיבי ביותר שנצפה עד כה R136a1 שמסתו 265 מסות שמש.
(R136a1 הוא הכוכב המסיבי ביותר שנצפה ומסתו מוערכת ב 265 מסות שמש. הוא גם הכוכב בעל עוצמת ההארה הגדולה ביותר, פי 8,700,000 מעוצמת ההארה של השמש. הכוכב הוא מטיפוס נדיר מאוד, הדומה לכוכבי וולף-ראייה אך בניגוד להם הוא כוכב צעיר שעדיין מתיך מימן בליבתו. R136a1 נמצא בענן המגלני הגדול, בקבוצת כוכבים דג זהב במרחק של כ – 165000 שנות אור. הוא חלק מצביר כוכבים R136 המכיל כוכבים מסיביים ביותר וצעירים, בני כמה מיליוני שנים בלבד.
כמו כוכבים היפר מסיביים אחרים, לR136a1 אין צורה מוגדרת, ועם שינויי קונבקציה בחלקו הפנימי, נפלטות שלוחות גדולות של מעטפת, שלאחר מכן חוזרות ושוקעות. כמו כוכבים מסיביים אחרים הקרובים לבהירות אדינגטון, גם R136a1 איבד חלק ניכר ממסתו הראשונית בקרינה וברוח השמש. מעריכים כי מסתו הראשונית הייתה כ - 320 מסות שמש והוא איבד כ - 50 מסות שמש במיליון השנים האחרונות. עם זאת, תאוריות חדשות טוענות כי אף כוכב אינו יכול להיווצר במסה של מעל 150 מסות שמש ועל כן מעריכים שכוכבים היפר-מסיביים כמו R136a1 יתכן ונוצרו ממיזוג של כמה כוכבי ענק.
R136a1 צפוי לסיים את חייו בהיפרנובה, התפוצצות עצומה החזקה פי 100 מסופרנובה. זו תהיה היפרנובה אנרגטית במיוחד שבפיצוצה תשתחרר אנרגיה בכמות של 10^46 ג'ול. ייתכן ויסיים את חייו מוקדם יותר בתהליך אי יציבות זוגית. ליבת הכוכב צפויה לקרוס לחור שחור).
כרגע יש שני הסברים אפשריים להתפרצות קרני הרנטגן. ההסבר הראשון הוא בליעה של כוכב מסוג ננס לבן על ידי חור שחור. ההסבר השני הוא התפרצות גמא, סילון אדיר של אנרגיה שמשתחרר כאשר כוכב מסיבי מתמוטט, או כאשר כוכב נייטרונים מתמזג עם כוכב נייטרונים אחר או עם חור שחור. (ראה הסבר בקישור לגבי התפרצויות גמא ובקישור זה לגבי כוכבי נייטרונים) כאשר סילון אנרגיה שכזה חוצה את היקום ממרחק גדול אורך הגל שלו גדל, כמו קרינת רנטגן. הבזקי הרנטגן אלה עוצמתיים כל כך שהם חזקים מקרינת גלקסיה שלמה. אין עדיין הסבר מלא לתופעה.
המאמר הבא מאמר 61 המשך
תגובה מומלצת
עדיין לא נוספו תגובות.
הצטרף לשיחה
אתה יכול לכתוב עכשיו ולהרשם אחר כך אם יש לכם חשבון הכנס עכשיו בשביל לכתוב מהחשבון שלך