מה ההבדל בין חומר אפל לחורים שחורים?

חומר אפל וחורים שחורים נשמעים דומים מעט זה לזה, אבל אלה שני דברים שונים לגמרי.

חורים שחורים הם תופעה מוכרת (יחסית) שמאחוריה בסיס פיזיקלי שאנו מבינים היטב, וגם תצפיות אסטרונומיות המאששות את קיומם. חומר אפל, לעומת זאת, הוא סוג של חומר שאיננו מבינים מהו וכיצד הוא נוצר, ואפילו לא יודעים בוודאות שהוא אכן קיים. אנו מניחים שהוא קיים בגלל תצפיות אסטרונומיות המרמזות כי "חסר חומר" ביקום. מכיוון שאת ה"חומר הרגיל" אנו יכולים לרוב לראות או למדוד באמצעים אחרים, אנו מניחים שקיים סוג מוזר של חומר שאינו פולט קרינה כלל, ולכן נקרא "חומר אפל".

חורים שחורים

מהם, אם כן, חורים שחורים? כאשר חומר בעל מסה גדולה מאוד מרוכז בנפח קטן מאוד, כוח המשיכה בקרבתו גדול כל כך עד שאפילו אור אינו מצליח להימלט ממנו, אלא נמשך פנימה. חומר כזה הוא לרוב כוכב, או שארית של כוכב. על פי היחסות הכללית של איינשטיין, החומר הזה, ובעצם גם האור הנפלט ממנו וכל סוג אחר של אנרגיה, יקרסו בהכרח לתוך נקודה אחת בעלת צפיפות אינסופית. במרחק מסוים מהנקודה הזאת (הנקראת "סינגולריות") קיים גבול הנקרא "אופק אירועים". אור הנמצא מחוץ לאופק האירועים יכול להימלט מכוח המשיכה; אור הנמצא בתוך אופק האירועים יימשך תמיד פנימה. אפשר לומר שאופק האירועים הוא פני השטח של החור השחור. כל מה שנמצא בתוך אופק האירועים אינו פולט שום אור, ולכן הוא נקרא "חור שחור".

אפשר לגלות חור שחור באופן עקיף, אם הוא נמצא בקרבת כוכב גדול מאוד. הכוכב השכן מאבד חלק מהגז שלו, הנמשך לתוך החור השחור, ובזמן שהחומר מסתובב ונשאב לתוך החור, הוא מתחמם ופולט קרינה באורכי גל שונים, ובכלל זה קרני רנטגן. מדענים הראו שקרינה כזו יכולה להיפלט ממערכת כפולה (בינארית), שבה כוכב רגיל וכוכב קומפקטי (כגון חור שחור או כוכב ניטרון) מקיפים זה את זה ואחד מהם שואב מסה מהאחר. כמה מהמערכות האלה בעלות מסה גדולה מאוד, כלומר, הכוכב הקומפקטי חייב להיות חור שחור. גם במרכז הגלקסיה שלנו יש חור שחור גדול מאוד, שהמסה שלו שווה למסתן של מיליוני שמשות כמו השמש שלנו. אי-אפשר לראות אותו בתצפיות ישירות, אך אפשר לעקוב אחר מסלוליהם של כוכבים הנעים קרוב אליו. לפי המסלולים אפשר לחשב ולהסיק שבמרכז הגלקסיה נמצא גוף מסיבי מאוד אך גם קטן מאוד. גוף כזה חייב להיות חור שחור.

חומר אפל

חומר אפל, לעומת זאת, מסייע לנו להסביר תופעות שונות, הכרוכות בין היתר בתנועה של כוכבים. הדוגמה הראשונה לצורך בחומר אפל היא סיבוב של גלקסיות. בגלקסיות רבות הכוכבים המרוחקים יותר נעים במסלול סביב הגלקסיה במהירות גבוהה מהצפוי על פי כמות המסה שבגלקסיה. אסטרונומים חישבו שכדי להסביר תנועה כה מהירה, המסה הכוללת של הגלקסיות האלו חייבת להיות גדולה מאוד. אם מסכמים את המסות של הכוכבים והגז הנראים לעין באותן גלקסיות, המסה המתקבלת אינה מספיקה כדי להסביר את מהירות הסיבוב של הכוכבים הרחוקים יותר. אחד הפתרונות האפשריים הוא שקיים בגלקסיות אלה חומר נוסף, שאי-אפשר לראותו בתצפית ישירה. חומר זה תורם את חלקו למסה הכוללת של הגלקסיה, אבל אינו פולט קרינה, ולכן אי-אפשר לראותו. חומר זה זכה לכינוי "חומר אפל". קיימות עוד תצפיות שאפשר להסביר על סמך קיומו של חומר אפל; לעומת זאת, ישנן גם תיאוריות חלופיות המסבירות חלק מהממצאים מבלי להסתמך על קיומו של חומר כזה.

כיום עדיין לא ידוע ממה מורכב החומר התיאורטי הזה, ואפילו אין הוכחה חותכת לכך שקיים חומר אפל השונה מהחומר המוכר לנו. בניסוי קסנון, שמשתתפים בו גם פיזיקאים ממכון ויצמן למדע, חוקרים מנסים לגלות את חלקיקי החומר האפל. בניסוי משתמשים במכל ובו טוֹֹנה של קסנון נוזלי, ומקווים למדוד את האינטראקציה של חלקיקי חומר אפל, באמצעות הכוח הגרעיני החלש, עם אטומי הקסנון.

ייתכן שיום אחד נגלה שהחומר האפל הוא למעשה חורים שחורים או אולי חורים שחורים מיקרוסקופיים, אבל תיאוריות אלו אינן פופולריות ביותר. המועמד המועדף כיום הוא חלקיק חדש ובלתי מוכר, שאינו מגיב עם שדות אלקטרומגנטיים, אלא רק באינטראקציה של כבידה ודרך הכוח הגרעיני החלש. לפיכך זכה החלקיק לכינוי weakly interacting massive particle, כלומר "חלקיק כבד המקיים אינטראקציות חלשות", ובקיצור WIMP, כלומר "חלשלוש".

קיימת גם אנרגיה אפלה, שאינה קשורה לחומר אפל ולחורים שחורים. האנרגיה האפלה היא אנרגיה ממקור בלתי מוסבר, שגם היא טרם נמדדה ישירות, והגורמת לכך שהיקום ממשיך להתרחב ואפילו בקצב מואץ. ללא קיומה של אותה אנרגיה בלתי מוסברת, היקום היה מאט את קצב ההתרחבות שלו. בתצפיות על גלקסיות רחוקות, אפשר להראות כי היקום ממשיך להתרחב, ואף בקצב הולך וגדל. גם כאן, תיאוריות רבות מנסות להסביר את מהותה ואת מקורה של האנרגיה האפלה, אבל כיום עדיין אין הסבר אחד המקובל על הכל.