רוב החומר בשביל החלב הוא צורה מפתיעה של חומר, שחושפת את עצמה רק דרך המשיכה הכבידתית שלה. החומר האפל פרוש על פני כל ההילה הגלקטית, שמשתרעת הרבה מעבר לדיסקת הכוכבים שבה נמצאת השמש. חקר היקום מראה שאין שום דבר מיוחד או ייחודי במצבנו: השמש היא כוכב ממוצע, כדור הארץ הוא חלק ממערכת פלנטרית, וגם לכוכבים אחרים יש מערכות פלנטריות, והגלקסיה שלנו היא אחת מגלקסיות ספירליות רבות. אילו היה החומר האפל קיים רק בשביל החלב, זה היה סותר את הרעיון הקופרניקאי שאין לנו מקום מועדף ביקום – ואכן, האסטרונומים מצאו חומר אפל גם בגלקסיות אחרות.
בלי קשר לשיטה שבה משתמשים או לסוג הגלקסיה בסיווג האבל, כ-80% עד 90% מהמסה של כל גלקסיה הם חומר אפל. חומר אפל הוא מסה שנוכחותה מורגשת דרך כוחות כבידה, אבל היא אינה פולטת אור ואינה בולעת אותו. זה מדהים, כי פירוש הדבר שכל האור הנראה של הגלקסיות מגיע מחלק קטן בלבד של היקום! אפשר לחשוב על כך כעל בעיה בהנהלת חשבונות. בצד אחד של המאזן נמצאת מסת הגלקסיה, כפי שנמדדה מתנועות הכוכבים בה. בצד האחר נמצאים יחסי המסה–אור, שבעזרתם מעריכים את המסה של אוכלוסיות הכוכבים הנראות. המסה שמחושבת מהתנועות גדולה תמיד פי 5 עד 10 מהמסה שמתאימה לאור הכוכבים שנצפה. את הפער החשבונאי הזה אי אפשר להסביר: היקום עשוי בעיקר מחומר שאיננו מבינים עד הסוף.
באדיבות ויקיפדיה
את התפלגות המסה של גלקסיות ספירליות, כמו שביל החלב, אפשר למפות בעזרת עקומת סיבוב – מפה של מהירות החלקים השונים של הגלקסיה ביחס לגרעין. המהירות נמדדת מהיסט הדופלר של קווי פליטה של גז או של קווי בליעה של כוכבים. התכונה הבולטת של עקומות הסיבוב של רוב הגלקסיות הספירליות היא שהן שטוחות למדי: המהירויות נשארות גבוהות עד גבולות החומר הנראה בדיסקה. לפי חוקי קפלר, המהירות המעגלית של כוכבים בגלקסיה אמורה להתחיל לרדת מהנקודה שבה המסלול מקיף את רוב מסת הגלקסיה, אבל איננו רואים שום ירידה במהירות. בגלקסיות ספירליות רבות דיסקת הגז משתרעת רחוק יותר מדיסקת הכוכבים, ואסטרונומים יכולים להשתמש בקו 21 ס"מ של מימן ניטרלי כדי למפות את עקומת הסיבוב עד מרחקים גדולים מאוד. מכיוון שהמהירות נשארת גבוהה וקבועה בקירוב עד הרדיוסים הגדולים ביותר שנחקרו, אנו מסיקים שגם המסלולים החיצוניים האלה אינם מקיפים את רוב מסת הגלקסיה. לכן רוב המסה היא בהכרח חומר בלתי נראה בהילה אפלה.
את מסתה של גלקסיה גדולה אפשר למדוד גם בעזרת התנועות של גלקסיות לוויין ננסיות שמקיפות אותה. כמובן, אי אפשר לעקוב אחר המסלולים האלה לאורך זמן, כי הקפה אחת נמשכת בדרך כלל מאות מיליוני שנים; האסטרונומים צריכים להסתפק ב"תמונת מצב" של המהירות הרגעית של כל לוויין. מכיוון שהלוויינים הם גלקסיות קטנות מאוד, תנועותיהם נקבעות בידי מסת הגלקסיה הגדולה – בדיוק כמו שתנועות הפלנטות במערכת השמש נקבעות בידי השמש. השיטה הזאת אישרה באופן מרשים את המסה ואת ההיקף של ההילה האפלה של שביל החלב. הגלקסיות האליפטיות הננסיות שמקיפות את שביל החלב נותנות לו מסה כוללת של כ-1012 מסות שמש, שפזורה עד 100 קילופרסק ממרכז הגלקסיה – פי שניים מהמסה וההיקף שנמדדו מתנועות כוכבי הילה בודדים. אור הכוכבים בגלקסיה מתאים רק לכ-1011 מסות שמש, ולכן כ-90% מהמסה הכוללת של הגלקסיה שלנו הם חומר אפל!
מה כמות החומר האפל בגלקסיות שאין להן דיסקה? לגלקסיות אליפטיות אין דיסקת גז, ולכן אי אפשר למדוד להן עקומת סיבוב. אבל סביב גלקסיות אליפטיות גדולות יש בדרך כלל נחיל של גלקסיות אליפטיות ננסיות זעירות, ותנועותיהן נותנות מדד למסת הגלקסיה הגדולה: פיזור גדול יותר בהיסטי הדופלר של הלוויינים מעיד על מסה גדולה יותר של הגלקסיה המרכזית. הפיזור בתנועות בכל מערכת כבידתית נקרא פיזור מהירויות. גם בגלקסיות אליפטיות יש כמויות עצומות של חומר אפל – מסות כוללות של 1012 עד 3 × 1012 מסות שמש, שפזורות על פני 100 עד 200 קילופרסק.
גם בגלקסיות זעירות יש חומר אפל. הלוויינים הננסיים של שביל החלב קרובים מספיק כדי שנוכל לשחק את אותו משחק עם התנועות של כוכבים בודדים בהם. הספקטרום של כל כוכב נותן את היסט הדופלר שלו, והפיזור בהיסטי הדופלר מעיד על המסה. אם המסה גדולה ממה שמצפים מסכום האור של הכוכבים, בהכרח יש שם חומר אפל. פיזור המהירויות מעיד על חומר אפל בכל גלקסיה ננסית שנחקרה עד כה. למעשה, בגלקסיות הקטנות ביותר ביקום שיעור החומר האפל הגבוה ביותר, ולכן הן "מעבדות" שימושיות לחקר החומר האפל ולניסיון ללמוד על תכונותיו.
לאן שלא נביט ביקום, האסטרונומים מגלים חומר אפל. בכל סוג של גלקסיה – ספירליות, אליפטיות, לא-סדירות, ננסיות, ובשביל החלב שלנו – המסה נשלטת בידי החומר המוזר הזה. החומר האפל הוא מאפיין שקיים בכל הגלקסיות. לאסטרונומים לקח כמה עשורים להגיע להשקפה הזאת. כשפורסמו לראשונה עקומות סיבוב שטוחות, בשנות ה-70 של המאה העשרים, הייתה ספקנות רבה: אולי הנתונים שגויים? אולי הגלקסיות האלה חריגות? אבל כשחוקרים נוספים הצטרפו והמדגמים גדלו, התוצאות הראשונות אוששו, והאסטרונומים הפנו את תשומת לבם לניסיון לזהות את הרכיב המוזר הזה של היקום. נעשים ניסיונות שונים לגלות חומר אפל ישירות. ההימור גבוה מאוד: טבעו של החומר האפל הוא כנראה השאלה הגדולה ביותר שעדיין לא נענתה באסטרונומיה.
באדיבות NASA/ESA
כיום, בזכות העדשות הכבידתיות שיוצר החומר האפל באורן של גלקסיות רקע, אנו יודעים שהחומר האפל הוא חומר כלשהו שאינו מגיב עם אור אלא דרך הכבידה, ושחתך הפעולה שלו (הסיכוי שיתנגש בחלקיקים אחרים) קטן מאוד, כך שהוא אינו עובר התנגשויות תכופות. אפשרויות שונות נשללו: חורים שחורים (ברוב טווחי המסה), כוכבים חיוורים, ננסים חומים, פלנטות נודדות, סלעים בחלל וגרגירי אבק מיקרוסקופיים. המועמד העיקרי שנשאר הוא חלקיק תת-אטומי זעיר, שעדיין לא נצפה במעבדות הפיזיקה או במאיצים. החומר האפל "שוקל" כפי חמישה מהחומר הרגיל, אבל מסתו של החלקיק הבודד עדיין אינה ידועה: ההצעות נעות מחלקיקים קלים מאוד ועד חלקיקים כבדים פי מאה ויותר מפרוטון. אנחנו עדיין מנסים להבין את פרטי ההתפלגות של החומר האפל, אבל נראה שהוא מפוזר בצורה חלקה יותר מהכוכבים בגלקסיות, ויש רכיב כמעט חלק של חומר אפל גם במרחבים העצומים שבין הגלקסיות.
→ הסעיף הקודם: 15.25 יחס מסה–אור | הסעיף הבא: 15.27 הכבידה של גופים רבים ←