ממגנט מרחף ועד הכוכבים הראשונים: החיפוש אחר החומר האפל מתרחב

החומר האפל אינו חייב להיות חלקיק מסוג אחד, בעל מסה אחת או דרך יחידה לקיים אינטראקציה עם חומר רגיל. לכן חוקרים מרחיבים את החיפוש מעבר לגלאים המקובלים: הם מחפשים דחיפות מכניות נדירות במעבדה, בוחנים מחדש מה באמת מאפשרת הפיזיקה של היקום המוקדם, ומנסים לברר אם גלי כבידה נושאים עקבות של המבנים הקוסמיים הראשונים.

מגנט מרחף בחיפוש אחר חלקיקים כבדים במיוחד

ניסוי POLONAISE באוניברסיטת רייס משתמש במגנט קבוע זעיר, בקנה מידה של מיליגרמים, המרחף במלכודת מוליכת־על בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. המערכת מבודדת היטב את תנועת המגנט, כך שחלקיק חומר אפל כבד במיוחד שיחלוף בסביבה עשוי להותיר אות כוח קצר וחולף.

בחיפוש הראשון לא נרשם אירוע מועמד. אך זה אינו בהכרח «שום דבר»: התוצאה מאפשרת לפסול צירופים מסוימים של מסה ועוצמת אינטראקציה, שאמורים היו ליצור אות מדיד. הניתוח מכסה בערך את תחום המסות 10^6–10^15 GeV/c²; עבור מתווכים קלי־מסה, הוא מציב מגבלות צימוד עד αₙ = 3.2 × 10⁻⁹ ברמת סמך של 95%.

החידוש המרכזי הוא בקנה המידה. לפי אוניברסיטת רייס, המערכת הייתה רגישה לחלקיקים כבדים פי כ־10 מיליון מאלה שנבדקו בניסויי ריחוף קודמים. אם החומר האפל אכן כה כבד עד שהוא נדיר מאוד במרחב, החיפוש אחריו דומה פחות למדידת אות רציף ויותר להמתנה למעבר חד־פעמי ונדיר.

פוטונים אפלים: מגבלה קוסמולוגית שעשויה להיחלש

בקצה השני של ספקטרום המסות נמצאים פוטונים אפלים קלי־מסה במיוחד. מגבלות קוסמולוגיות קודמות התבססו על הרעיון שכאשר מסתו של פוטון אפל תואמת את תדירות הפלזמה של סביבתו, ההמרה לפוטונים רגילים או לפלזמונים מתחזקת בתהודה. העברת האנרגיה הזו עשויה לחמם את הפלזמה ולהשאיר השלכות קוסמולוגיות מדידות. 24

מחקר תיאורטי חדש טוען שהתהליך אינו נמשך די זמן כדי להפקיד כמות גדולה של אנרגיה: כאשר אנרגיה עוברת אל הפלזמה, אי־יציבויות לא־ליניאריות עוצרות במהירות את התהודה. מסקנת המחברים היא שיש לבחון מחדש את המגבלות הספציפיות שנגזרו מהמרה תהודתית ביקום המוקדם. 6

אין פירוש הדבר שפוטונים אפלים התגלו, או שכל המגבלות עליהם נעלמו. בדיקות קוסמולוגיות ואסטרופיזיקליות אחרות עדיין רלוונטיות, לרבות מגבלות הקשורות בספיגה לא־תהודתית ובחימום אפשרי של התווך הבין־גלקטי. 5 המסקנה הרחבה יותר היא שמגבלות על חלקיקים חדשים נשענות לעיתים על הנחות מפורטות מאוד בנוגע לדינמיקה של פלזמה קוסמית מורכבת במיוחד.

מערכי תזמון פולסרים כחלון לשחר הקוסמי

כיוון מחקר שלישי כלל אינו מנסה למדוד חלקיק כיום. במקום זאת, הוא בוחן אם החומר האפל השפיע על היווצרות החורים השחורים הענקיים הראשונים.

מערכי תזמון פולסרים, כגון NANOGrav, מודדים בדיוק גבוה במיוחד את זמני ההגעה של פולסי רדיו מפולסרים רבים. שיתוף הפעולה NANOGrav דיווח על אות התואם רקע סטוכסטי של גלי כבידה בתחום הננו־הרץ. אחד ההסברים המוצעים לחלק מן הרקע הזה כרוך ב״כוכבים אפלים״ על־מסיביים והיפותטיים ביקום המוקדם.

בתרחיש זה, חימום הנובע מאיון הדדי של חומר אפל — ולא היתוך גרעיני רגיל — היה יכול לתמוך זמנית בכוכבים קדומים כאלה. לאחר קריסתם, הם היו מותירים זרעים מסיביים לחורים שחורים. מודלים מראים שמיזוגים מאוחרים יותר של צאצאיהם עשויים, תחת הנחות מסוימות, לתרום תרומה דומיננטית לאות הנמדד במערכי תזמון הפולסרים.

ההשערה מעניינת משום שהיא מחברת בין טבעו של החומר האפל לשאלה קוסמית אחרת: כיצד הופיעו חורים שחורים על־מסיביים בשלב כה מוקדם של היקום. עם זאת, היא עדיין ספקולטיבית. רקע גלי הכבידה כשלעצמו אינו מזהה את מקורו, וקיימים מקורות ופירושים אפשריים רבים.

מה משתנה בחיפוש?

לשלוש הגישות מטרה משותפת, אך היגיון פעולה שונה:

• חיישני מעבדה מחפשים את הדחיפה הישירה של חלקיק נדיר וכבד מאוד.
• קוסמולוגיית פלזמה בודקת אם פסילות ישנות של שדות קלי־מסה במיוחד נשענו על תיאור מציאותי של דינמיקת היקום המוקדם.
• גלי כבידה עשויים לבחון אם החומר האפל מילא תפקיד עקיף בשחר הקוסמי, באמצעות אוכלוסיות של זרעי חורים שחורים קדומים.

עדיין אין גילוי של חומר אפל. אבל תחום החיפוש מתרחב באופן ממשי: מחלקיקים נדירים שאולי ידחפו מגנט מרחף, דרך שדות קלים כל כך שפיזיקת הפלזמה קובעת אם אפשר לשלול אותם, ועד שרידים אסטרופיזיקליים שעשויים להותיר חותם בגלי כבידה מיליארדי שנים לאחר מכן.