חורים שחורים קדמוניים או חלקיקים: מבחן חדש משווה בין ההסברים לחומר האפל
מחקר משווה בין 12 תרחישים של חומר אפל באמצעות אותו מדד מתמטי. לפי המחקר, מנגנון ההיווצרות של כל מודל קובע במידה רבה את הכיוונון העדין שהוא דורש. לא רק השאלה אם החומר האפל הוא חלקיקים או חורים שחורים קובעת זאת.
ייתכן שחלק מההנחות המוכרות על החומר האפל נובעות פחות מסוג החומר האפל המוצע. הן נובעות אולי יותר מפרטי המנגנון שאמור ליצור אותו. את המחקר ערך סטפנו פרופומו, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז. במסגרתו השווה פרופומו בין תריסר תרחישים של חומר אפל. לשם כך הפעיל על כולם אותו מבחן מתמטי של כיוונון עדין.
המחקר ראה אור בכתב העת Physical Review D. לפי ממצאיו, גם מודלים של חומר אפל חלקיקי כוללים תרחישים "טבעיים" יחסית. גם מודלים של חורים שחורים קדמוניים כוללים תרחישים כאלה. לצידם, בשתי הקבוצות יש גם תרחישים הדורשים התאמה קפדנית מאוד של הפרמטרים. חורים שחורים קדמוניים, או היוליים, הם גופים היפותטיים. לפי ההשערה, הם הופיעו ביקום הקדום, עוד לפני הכוכבים הראשונים.
"יש הרגל להתייחס לחורים שחורים היוליים כאל החלופות האקזוטיות שצריכות כיוונון עדין, ואל החומר האפל החלקיקי כברירת המחדל הטבעית, הבטוחה", אמר פרופומו. "אבל כשבודקים בפועל את המספרים זה לצד זה, מתברר שהתמונה הזאת אינה עומדת במבחן. חלק מתרחישי החורים השחורים הם הכי טבעיים שאפשר. חלק מתרחישי החלקיקים מצריכים הרבה כיוונון עדין. וחלק, משני הסוגים, נמצאים בדיוק באמצע".
בחינת תאוריות של חומר אפל לפי אותו קנה מידה
החומר האפל מהווה את רוב החומר ביקום. הוא ממלא תפקיד חשוב בהיווצרותן ובתנועתן של גלקסיות. אולם המדענים עדיין אינם יודעים מהו, ואיש עוד לא גילה אותו ישירות. פיזיקאים הציעו הסברים רבים לקיומו. ההצעות נעות בין חלקיקים תת־אטומיים שטרם התגלו לבין חורים שחורים קדמוניים. אלה יכלו להיווצר ברגעיו המוקדמים ביותר של היקום.
כל עוד אין גילוי ודאי, חוקרים בוחנים לעיתים תאוריות מתחרות גם לפי ה"טבעיות" שלהן. בהקשר זה, טבעיות היא מושג טכני. מודל טבעי מסביר את כמות החומר האפל שהתצפיות מראות. הוא עושה זאת בלי להציב דרישות קיצוניות לערכי הפרמטרים הבסיסיים שלו. לעומת זאת, לפעמים שינוי זעיר באחד הפרמטרים גורם לשינוי דרמטי בתחזית. במקרה כזה, המודל דורש כיוונון עדין רב יותר.
הטבעיות משפיעה על הפיזיקה התאורטית זה עשרות שנים. עם זאת, חוקרים משווים לעיתים בין מודלים באופן לא פורמלי. לפעמים גם מיישמים את המושג בדרכים שונות לסוגים שונים של מודלים. המחקר של פרופומו נוקט שיטה כמותית אחת לכל המודלים. כך הוא משווה בתנאים שווים בין הצעות שונות מאוד לחומר האפל.
מדידת הרגישות של כל מודל
הניתוח מסתמך על מדד ברביירי–ג'ודיצ'ה. המדד שואל: אם משנים מעט את אחד הפרמטרים הבסיסיים, כמה תשתנה תחזית כמות החומר האפל? כאשר התחזית זזה רק במתינות, המודל רגיש פחות להנחות שלו. לעומת זאת, כאשר התחזית קופצת בחדות, המודל דורש כיוונון קפדני יותר.
פרופומו יישם את המדד על 12 תרחישים מוכרים של חומר אפל. חלקם תרחישים חלקיקיים, ובהם WIMP — חלקיק מסיבי בעל אינטראקציה חלשה. בנוסף בחן מנגנונים שונים ליצירת חורים שחורים קדמוניים זמן קצר אחרי המפץ הגדול. אלה הצעות תאורטיות שחוקרים בדקו בהרחבה, אבל תצפיות עדיין לא אימתו אותן.
טווח התוצאות אינו מתחלק למודלים חלקיקיים בקצה אחד ולמודלים של חורים שחורים בקצה האחר. מודלים משתי הקבוצות מופיעים לאורך כל טווח הכיוונון העדין. מן ההשוואה עולה שמנגנון ההיווצרות המסוים קובע במידה רבה את הטבעיות. כלומר, לא רק סוג החומר האפל המוצע – חלקיקים או חורים שחורים – קובע אותה.
גם מודלים מוכרים עשויים לדרוש כיוונון מדויק
אחד מתרחישי החורים השחורים הקדמוניים התגלה בניתוח כאחד הטבעיים ביותר. במודל זה, רשתות של מבנים בשם "קירות תחום" קורסות ויוצרות חורים שחורים. הרגישות שלו דמתה לזו של כמה מהמודלים החלקיקיים הדורשים כיוונון עדין קל יחסית.
תרחיש חלקיקי שחוקרים בדקו בהרחבה הופיע קרוב לקצה הנגדי של הטווח. במודל הזה, חלקיקי חומר אפל מתאיינים בעזרת תהודה של בוזון היגס. המודל מגיע לכמות החומר האפל שרואים ביקום רק בתנאי אחד. אחד הפרמטרים שלו צריך לפגוע בערך הנכון בדיוק של שבר אחוז. לכן הוא שייך למקרים שבהם הכיוונון העדין רב במיוחד.
מודלים אחרים, הן של חלקיקים והן של חורים שחורים קדמוניים, הופיעו בתווך. התוצאות מערערות על הנוהג להצמיד תווית טבעיות אחת לסוג שלם של חומר אפל.
מה המחקר קובע — ומה עדיין פתוח
ההשוואה אינה מגלה מהו החומר האפל. היא גם אינה מוכיחה שהמודלים הדורשים פחות כיוונון הם הנכונים. במקום זאת, היא מספקת דרך משותפת להעריך כמה התחזיות רגישות להנחות המודל. טבעיות יכולה לסייע בתכנון מחקרים, אבל אינה מחליפה תצפיות או ניסויים.
המסר המרכזי: יש לבחון את הכיוונון העדין בכל מודל ובמנגנון ההיווצרות שלו. כמה מתרחישי החורים השחורים הקדמוניים אכן דורשים כיוונון קפדני. אבל אין בכך סיבה לפסול את כולם. באותו אופן, אי אפשר להניח שכל תרחיש חלקיקי טבעי מעצם היותו חלקיקי.
תרגום: נחום שרשבסקי. עריכה והתאמה: מערכת הידען.
מקור: SciTechDaily, על פי אוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז.
שאלות ותשובות
מה פירוש "טבעיות" בחקר החומר האפל?
מידת הרגישות של תחזית המודל לערכי הפרמטרים שלו. מודל שדורש פחות כיוונון כדי להסביר את כמות החומר האפל הוא מודל טבעי יותר.
האם המחקר גילה שהחומר האפל הוא חורים שחורים?
לא. המחקר משווה מודלים תאורטיים ואינו מזהה את החומר האפל. לפי המחקר, חלק מהמנגנונים ליצירת חורים שחורים קדמוניים אינם דורשים כיוונון רב יותר מחלק מהמודלים החלקיקיים.
במה שונים חורים שחורים קדמוניים מחורים שחורים שנוצרים מכוכבים?
חורים שחורים קדמוניים עשויים היו להיווצר מתנאים ביקום המוקדם, לפני שנוצרו הכוכבים הראשונים. חורים שחורים כוכביים נוצרים בעקבות קריסת כוכבים מסיביים.
המאמר המדעי
עוד בנושא באתר הידען
KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.