עד כמה דביק החומר האפל?

האסטרונומים מסיקים כי לפחות בשלב זה, אי אפשר למדוד במישרין את רוב תכולת היקום. עיקר תכולת היקום הוא אנרגיה אפלה (Dark energy) שלאף אחד אין מושג מה היא, וחומר אפל (Dark matter), שגם לגביו כמעט שאין מושג. המחשבה הרווחת בעשורים האחרונים היא שאם החומר האפל קיים, אז הוא אינו "חש" בחומר הרגיל, מלבד כוח הכבידה שהוא מייצר. ואמנם החומר האפל "הומצא" כדי להסביר מדוע הגלקסיות מסתובבות מהר באזוריהן החיצוניים, אף על פי שאין שם כמעט אור כוכבים – ומכך מסיקים שאין באזורים חיצוניים אלה חומר רגיל. החומר האפל אחראי גם לכך שצבירי הגלקסיות אינם מתפרקים, למרות המהירויות הגבוהות של הגלקסיות עצמן. נמצא גם, מתוך השוואה להדמיות (סימולציות), כי החומר האפל אחראי ל"מבנה הגדול" ביקום – גלקסיות וצבירי גלקסיות מסתדרים לאורך "חוטים" של חומר אפל ובהצטלבות חוטים כאלה נוצרים צבירים עשירים של גלקסיות.

הנחת קיומו של חומר אפל מלווה גם בקשיים. למשל, ההדמיות מראות שבמרכזי גלקסיות וצבירי גלקסיות, הצפיפות צריכה להיות גבוהה בהרבה מהנמדד, בגלל "שקיעתו" של חומר אפל למקומות אלה. אחת האפשרויות לפתרון הבעיות היא הנחה שהחומר האפל "דביק" במידת מה. כדי שתכונה כזו תתקיים, לחומר האפל צריך להיות "חתך פעולה לאינטראקציה עצמית" שבין 0.1 ל־10 סמ"ר לגרם. לשם השוואה, לחומר אפל "חלק" לחלוטין, שאינו דביק, יש חתך פעולה של אפס. חתך הפעולה לאינטראקציה עצמית מודד את כושר החלקיק לחוש (כלומר – להיות מושפע מ) בקיומו של חלקיק אחר מאותו סוג. ממחקר של כ־30 צבירי גלקסיות, שפורסם לאחרונה בידי אסטרונומים אירופים, עולה כי החומר האפל הוא די "חלק", עם חתך פעולה של 0.47 סמ"ר לגרם.

את מידת הדביקות של החומר האפל אפשר למדוד על פי התנגשויות בין שני צבירי גלקסיות. בצביר גלקסיות יש מאות או אלפי גלקסיות, רובן אליפטיות וחלקן דיסקות ספירליות כמו גלקסיית שביל החלב, הבית שלנו. כשצבירי גלקסיות מתנגשים הגלקסיות חולפות אחת ליד השנייה כמעט בלי להשתנות. אבל הילות הגז שסביבן חשות את הילות הגלקסיות של הצביר השני וההתנגשות גורמת לחימום הגז ולפליטת אנרגיה בתחום קרינת X. אם החומר האפל של גלקסיה מסוימת הוא חלק לחלוטין, הוא יישאר צמוד לגלקסיה שלו כאשר ההתנגשות תתרחש; ואולם אם קיימת דביקות עצמית של החומר האפל, הוא ייפרד במקצת מהצביר עם הגלקסיות שלו ו"יישאר מאחור" או שיתפזר לכל הכיוונים וישאיר את הגלקסיות נטולות חומר אפל.

כאן המקום להזכיר שהדרך היחידה, בשלב זה, לגלות את קיומו של חומר אפל היא על ידי כוח הכבידה שהוא מפעיל. בגלקסיות דמויות דיסקה, ספירלות למשל, כוח הכבידה של החומר האפל משמר כאמור את מהירות הסיבוב העצמית בערך קבוע, אף שבאזורים הרחוקים מהמרכז יש רק כמות חומר רגיל קטנה. בגלקסיות אליפטיות הילת החומר האפל משמרת את הגז שבהילה בטמפרטורה גבוהה, כך שהוא פולט קרינת X. בצבירי גלקסיות נמצא כי הילת החומר האפל שעוטפת את הצביר גורמת ל"עידוש כבידתי"; הצביר והילת החומר האפל שלו פועלים כעדשה לגבי האור שנפלט מעצמים שנמצאים רחוק מעברו השני של הצביר יחסית אלינו. עדשה מרכזת את אור העצמים שמאחורי העדשה; במקרים מסוימים העדשה מעוותת את צורת הדמויות. בעזרת אפקטים אלה אפשר כיום למדוד ולמפות את התפלגות החומר האפל וצבירי גלקסיות מסוימים.

התנגשות הצבירים הנחקרת ביותר בשנים האחרונות היא של "צביר הקליע" (Bullet cluster), שבו שני צבירי גלקסיות במרחק של כמעט ארבע מיליארדי שנות אור מאיתנו מתנגשים (כמובן שאנו רואים אותם מכדור הארץ כפי שהיו לפני כמעט ארבע מיליארדי שנים, זמן קצר לאחר היווצרות מערכת השמש וכדור הארץ עצמו). גרם שמימי זה נחשב כיום כעדוּת החזקה ביותר לקיום חומר אפל וגם להערכת המידה של הדביקוּת העצמית של חומר אפל זה. בצביר זה אמנם נמדדה סטייה בין מרכזי החומר האפל לבין מרכזי האור מגלקסיות שבכל אחד מהצבירים שמתנגשים. לא רק בצביר בקליע נמדדה סטייה כזו; גם בכ־30 צבירים אחרים שנחקרו באותה צורה נמצאה סטייה משמעותית בין החומר האפל לחומר המאיר שבגלקסיות – סטייה הפועלת לכיוון של קיום מידה של דביקות לחומר האפל. התוצאות החדשות מאששות את הנחת קיומו של חומר אפל והיותו מרכיב עיקרי במסה של צבירי גלקסיות, מֵעבר לחומר הנראה, אף שחומר אפל זה שונה במידת מה מהניבוי התיאורטי.