ניתן לפצח את תעלומת החומר האפל באמצעות מדידת גלי רדיו מהירח

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב הצליח לראשונה לנבא תוצאות פורצות דרך שניתן לקבל ממדידת גלי רדיו שמגיעים אלינו מהיקום המוקדם. מממצאי המחקר עולה כי בתקופת החושך הקוסמית (cosmic dark ages), החומר האפל ברחבי היקום יצר גושים צפופים שסימולציות מחשב מנבאות שמשכו אליהם גז מימן וגרמו לפליטה מוגברת של גלי רדיו ממנו. בעקבות כך, החוקרים מעריכים שבאמצעות מדידת גלי הרדיו ניתן יהיה לסייע לעולם המדע לפצח נדבך חשוב בתעלומת החומר האפל.

קבוצת המחקר בהובלתו של פרופ' רנן ברקנא מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים, באוניברסיטת תל אביב, כללה את הדוקטורנט סודיפטה סיקדר, יחד עם עמיתים מיפן, הודו, ובריטניה. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Astronomy.

מדידת גלי הרדיו מתקופת החושך הקוסמית

החוקרים מציינים כי ניתן לחקור את תקופת החושך הקוסמית (העידן שלפני היווצרות הכוכבים הראשונים) בעזרת גלי רדיו שפלט גז המימן שמילא את היקום באותה תקופה. אמנם אנטנת טלוויזיה פשוטה יכולה לקלוט גלי רדיו, אבל גלי הרדיו מהיקום המוקדם נחסמים ע״י האטמוספירה של כדור הארץ. ניתן למדוד אותם רק מהחלל, ובמיוחד מהירח, שמספק סביבה יציבה, ללא הפרעות של אטמוספירה או תקשורת רדיו קרובה. כמובן שלא פשוט להביא טלסקופ אל הירח, אבל בימינו מתקיים מרוץ חלל בינלאומי שבו הרבה מדינות מנסות לחזור לירח עם חלליות ובסופו של דבר גם אסטרונאוטים. סוכנויות חלל בארה״ב, אירופה, סין, והודו, מחפשות מטרה מדעית לנחיתה על הירח, והמחקר החדש מדגיש את הפוטנציאל האדיר של מדידת גלי הרדיו מתקופת החושך הקוסמית.

פרופ' ברקנא מסביר:״טלסקופ החלל החדש של נאסא, ע״ש ג'יימס ווב, מצא לאחרונה כמה גלקסיות רחוקות, שהאור שלהן מגיע מתקופת השחר הקוסמי, כ-300 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. המחקר החדש  שלנו עוסק בתקופה מוקדמת ומסתורית אף יותר: תקופת החושך הקוסמית (cosmic dark ages), כ-100 מיליון שנה בלבד אחרי המפץ הגדול. סימולציות מחשב מנבאות שהחומר האפל ברחבי היקום יצר גושים צפופים, שהיוו את הקדימון להיווצרות המאוחרת יותר של כוכבים וגלקסיות. גודלם של הגושים האלה תלוי בתכונות המסתוריות של החומר האפל, אך אין אפשרות לראות את הגושים באופן ישיר. אבל, הסימולציות מנבאות שהגושים משכו אליהם גז מימן וגרמו לפליטה מוגברת של גלי רדיו ממנו. אנו מנבאים שניתן לראות את האפקט המצטבר של כל זה בעזרת אנטנות שימדדו את עוצמת גלי הרדיו הממוצעת בשמים.״

ד"ש מתקופת השחר הקוסמי

אות הרדיו מעידן השחר הקוסמי צפוי להיות די חלש, אך אם ניתן יהיה להתגבר על האתגר התצפיתי, זה יפתח דרך חדשה לבחון את טבעו של החומר האפל. כאשר נוצרו לבסוף הכוכבים הראשונים, בתקופה קצת יותר מאוחרת שנקראת השחר הקוסמי, צפוי שאור הכוכבים הגביר מאד את פליטת גלי הרדיו מהמימן. לכן, אמור להיות קל יותר למדוד את הסיגנל מתקופה זו, וזה גם יהיה אפשרי בעזרת טלסקופים על כדה״א, אבל יהיה קשה יותר לפרש את המדידות, בגלל ההשפעה של כוכבים שמכניסים סיבוכים רבים לסיפור. מצד שני, בתקופה זו ניתן יהיה לאסוף מידע רב נוסף בעזרת מערכים גדולים של אנטנות רדיו שינסו למפות את התפלגות גלי הרדיו בשמים. התבנית המצופה של אזורים בהירים יותר ובהירים פחות בגלי רדיו, אמורה גם היא להראות את ההשפעה של אותם גושי חומר אפל. פרופ׳ ברקנא הוא חלק מהניסוי הבינלאומי הגדול ביותר מסוג זה, מערך הקילומטר המרובע (Square Kilometre Array, SKA) , שיכלול אוסף אדיר של 80,000 אנטנות רדיו שמותקנות עכשיו באוסטרליה.

החוקרים מעריכים כי ממצאי המחקר עשויים להיות משמעותיים מאוד בהבנה המדעית של החומר האפל. אסטרונומים מנסים להבין את תכונות החומר האפל גם ביקום המודרני, אבל אחרי מיליארדי שנה שבהן החומר האפל התערבב עם הגז הרגיל, זה מאד קשה. לעומת זאת, היקום הבראשיתי מספק תנאי מעבדה נפלאים עבור אסטרופיזיקאים.

פרופ' ברקנא מסכם: ״בתקופה שבה תחנות הרדיו המסורתיות מוחלפות בטכנולוגיות חדשות שמובילות לעליית האינטרנט, אסטרונומים דווקא מרחיבים את טווח ההשפעה של גלי הרדיו. כשפותחים חלון חדש במדע בדרך כלל מגלים הפתעות. בעזרת התצפיות המוצעות, יש אפשרות לגלות תכונות שונות של החומר האפל, שהוא התעלומה הגדולה ביותר: אנחנו אמנם יודעים שהוא רוב החומר ביקום, אבל תכונותיו וטבעו עדיין מסתוריים. ברור שאסטרונומים מלאי ציפייה לקראת פתיחת ערוצי הרדיו הקוסמיים של היקום המוקדם."