שאל את איתן: מדוע חומר כהה לא מתמוטט בגלל כוח המשיכה?

כאן ביקום שלנו, זה יכול להיות העניין הרגיל שנוכל לאתר ישירות, למדוד, לתפעל, להתנסות ולהתבונן, אבל זה החומר האפל שמייצג את מרבית המסה ביקום. ואילו כל "הדברים" שבה מכריע - מהווה 27% מתקציב האנרגיה הקוסמית. רק אנרגיה אפלה, המרכיבה 68% מהיקום, חשובה יותר מנקודת מבט של צפיפות אנרגיה.

ובכל זאת, חומר אפל נמצא אי פעם רק בהילות מפוזרות, מעולם לא בגושים שהתמוטטו כמו חומר רגיל. למה זה? זה נושא שאלת השבוע, שמגיע כל הדרך מבארי לואיס בניו זילנד, שרוצה לדעת:

"איך חשוך משנה, תוך כדי כבידה, לא קורסים? אני לא יכול לחשוב על שום דיון שנתקלתי בו שמתייחס לצורך לכאורה זה כדי לחוות איזשהו כוח דוחה הדדי. "

זו שאלה מסובכת, מכיוון שהיא באה עם שתי תפיסות שגויות נפוצות. ראשית, די בכבידה מספיקה כדי להוביל להתמוטטות, למרות שאנו משתמשים במונח "קריסת כבידה" כל הזמן באסטרופיזיקה. ושנית, כי חוסר קריסה מעיד על כוח דוחה כלשהו. בואו נצלול אל הפאזל ונפרק את מה שקורה באמת.

על פי דגמים והדמיות, יש להטמיע את כל הגלקסיות בהילות של חומר אפל, שצפיפותן מגיעה למרכזים הגלטיים. על טווחי זמן מספיק ארוכים, של מיליארד שנים, חלקיק חומר אפל יחיד מפרברי ההילה ישלים מסלול אחד. ללא הילה מאסיבית של חומר כהה, הגלקסיות היו קטנות יותר, נמוכות יותר במסה, ולא מצליחה להחזיק את הפקודה מהכוכבים.

הדרך הטובה ביותר להבין מה קורה - ומה לא קורה - לעניין האפל הוא לקחת בחשבון את הדברים שאנחנו מכירים יותר קודם: חומר רגיל. החומר הרגיל ביותר שאנו יודעים הוא בצורה של אטומים: גרעינים אטומיים, המורכבים מפרוטונים חשופים או שילובים כבולים של פרוטונים ונויטרונים, מוקפים ומקורבים על ידי חלקיקים בהירים בהרבה המכונה אלקטרונים. לאטומים ניטרליים יש מספר זהה של אלקטרונים המקיפים אותם כמו מספר הפרוטונים בגרעין שלהם, ואילו ליונים יש יותר אלקטרונים (לטעינת שלילית) או פחות (עבור טעינה חיובית) בהשוואה למספר הפרוטונים בגרעין שלהם.

בגלל התכונות הפיזיקליות הללו הטמונים בחומר רגיל, יש למעשה שלוש סוגי כוח עיקריים שעלינו לקחת בחשבון עבור חומר רגיל.

• יש את הכבידה, המשפיעה על כל חלקיק עם אנרגיה ו/או מסה, כאשר המסה היא סוג של אנרגיה מנוחה, שיש לה כל המרכיבים העיקריים של החומר הרגיל: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים.
• יש אלקטרומגנטיות, המשפיעה על כל חלקיק במטען חשמלי נטו או שרכיביו המרכיבים מכילים מטען חשמלי, במיוחד כאשר הם בתנועה או במגע זה לזה.
• ויש את הכוחות הגרעיניים, המאפשרים לפרוטונים ולנויטרונים להיקשר זה לזה, המאפשרים תגובות היתוך ועדיפות, ואשר שולטים על התפרקות הרדיואקטיבית של גרעינים אטומיים לא יציבים.

קטע זה מסימולציה של מחשב -על מראה קצת יותר ממיליון שנה של התפתחות קוסמית בין שני זרמי גז קר מתכנסים. רק דרך האינטראקציה האלקטרומגנטית, זרמי הגז הללו יכולים להקרין חום, להיות ונותר, קרים. במרווח הקצר הזה, רק קצת יותר ממאה מיליון שנה לאחר שהמפץ הגדול, גושי החומר צומחים להחזיק כוכבים בודדים המכילים עשרות אלפי המוני סולאריים כל אחד באזורים הצפופים ביותר, ויכולים להוביל לקריסה ישירה חורים שחורים של הערכה ~ 40,000 המוני סולאריים.

אחד הדברים הנפוצים ביותר שאנו רואים ביקום שהחומר הרגיל יכול לעשות הוא פשוט לקרוס - תחת כוח המשיכה שלו, כפי שאנו אומרים לעיתים קרובות - ולהוביל להיווצרותם של כוכבים חדשים. זה יהיה סביר לחלוטין לשאול "מה מניע את הקריסה הזו", ולהציע תשובה פשוטה: כוח משיכה.

זה נכון בחלקו! אם היית לוקח ענן של גז שהיה גדול ומאסיבי, וכל החלקיקים בתוך הגז הזה היו בתחילה במנוחה, ואז כיבתה את כל הכוחות הלא-גרעיניים תוך נותנת לכוח המשיכה לעשות את הדבר שלו, היית מקבל קריסה בכבידה. למעשה, כפי שהוצג היה בשנות העשרים של המאה העשרים, זמן קצר לאחר שהוצגה לראשונה היחסות הכללית בצורתו הנוכחית (הסופית), לא היית סתם מקבל קריסה כבידה; תקבלו קריסת כבידה שהביאה לכם את כל הדרך להיווצרות חור שחור!

גם לא משנה מה התצורה הראשונית של החלקיקים שלך. הם יכולים להיות כדוריים, גליליים, דמויי קובייה, מופצים במעגל, או אפילו אקראיים לחלוטין: כמו איזשהו תפוח אדמה שגדל פראי. שום דבר מזה לא משנה. אם כל החלקיקים מתחילים במנוחה, ואין שום דבר אחר שקורה ביקום פרט לכוח המשיכה באזור המקומי והמאסיבי הנשלט על ידי חלקיקים, זו התוצאה היחידה האפשרית: קריסת כבידה, כל הדרך למטה, ישירות, ל חור שחור.

ביקום שלא מתרחב, אתה יכול למלא אותו בחומר נייח בכל תצורה שאתה אוהב, אבל זה תמיד יקרוס עד חור שחור. יקום כזה אינו יציב בהקשר של כוח המשיכה של איינשטיין, ועליו להתרחב כדי להיות יציב, או שעלינו לקבל את גורלו הבלתי נמנע.

אבל מה אם יש נכסים אחרים במשחק?

בטח, אתה עשוי לחשוב שהדבר הראשון לעשות יהיה להפעיל את הכוחות הגרעיניים, ולכן - מכיוון שחלקיקים אלה הם אטומים, עם גרעינים אטומיים בליבותיהם - תביא לסיבה שהתמוטטות הכבידה תמשיך רק עד שהגרעינים האטומיים יקבלו קרוב מספיק כדי לעורר היתוך גרעיני, מה שמוביל להיווצרות כוכבים.

עם זאת, לפני שהגעת לשלב הזה, אתה עשוי להבין שעשית לעצמך שירות נפרד על ידי התעלמות מעובדה פיזית חשובה: היתוך גרעיני, התהליך השולט בייצור האנרגיה בכוכבים, אינו נקבע על ידי צפיפות החלקיקים בכוכב ליבה בלבד, אלא תלויה הן בצפיפות החלקיקים והן בטמפרטורת החלקיקים בתוך ליבת הכוכב. בפרט, הסוג הנפוץ ביותר של היתוך גרעיני שנמצא בכוכבים - שם פרוטונים חשופים מתמזגים בגרעינים אטומיים כבדים יותר - יכול להתקיים רק בטמפרטורות המגיעות ל -4 מיליון K ומעלה. זו אכן טמפרטורה גבוהה מאוד!

היו שני דברים שהזנחנו שהתבררו כחשובים מאוד, אם כן, כשמדובר במה שאנחנו מכנים "קריסה כבידה" עובדת למעשה: האנרגיה (כולל אנרגיה לתנועה, או אנרגיה קינטית) של החלקיקים שעוברים ליצירת כוכבים אלה, והכוח השולט בחימום, קירור, קרינה ואינטראקציה של חלקיקים אלה: הכוח האלקטרומגנטי.

תמונת אינפרא אדום זו מציגה את האזור היוצר הכוכבים 30 דורדוס, הידוע גם בשם ערפילית טרנטולה, ומדגיש את הכוכבים הבהירים והעננים הוורודים והורודים של גז חם. הכוכבים הצעירים שנראים על דימוי זה, ברובם בכחול, היו יכולים רק להיווצר מגז קר, אחרת זה לא היה מתמוטט מספיק כדי לאפשר היווצרות כוכבים.

ביקום האמיתי שלנו, לא ניתן לקבל אוסף גדול של חלקיקים מאסיביים המופצים על נפח גדול של שטח שכולו מיידי במנוחה. במקום זאת, לחלקיקים שנמצאים בכל ענן גז יש להם מהירות מובנית על סמך האינטראקציות שהם חוו: אנו קוראים לזהתיאוריה קינטית של גזיםו חלקיקים מקפצים ומתקשרים זה עם זה, מחליפים אנרגיה ומומנטום עד שהם מגיעים למה שמכונה שיווי משקל תרמי: מצב שבו החום הממוצע (או אנרגיה קינטית) של כל חלק במערכת שווה לחום הממוצע (או לאנרגיה קינטית) של המערכת כולה עצמה.

זה דבר שמתרחש רק עבור אטומים ויונים, הצורות הנפוצות ביותר של חומר רגיל ביקום, בגלל האינטראקציה האלקטרומגנטית. כאשר חלקיקים מתנגשים זה בזה, הם יכולים לעשות זאת בשתי דרכים:

• באופן אלסטי, שם הם מקפצים זה את זה תוך שמירה על אנרגיה וגם תנופה, שם כל התנגשות אלסטית מקרבת את המערכת שלך צעד אחד קרוב יותר לשיווי משקל תרמי,
• או באופן לא -אלסטתי, כאשר החלקיקים שומרים על תאוצה אך מאבדים אנרגיה על ידי נדבקות באופן חלקי או מלא, כאשר כל התנגשות לא -אלסטית מפחיתה את האנרגיה הקינטית הכוללת של המערכת שלך על חשבון ייצור צורה אחרת של אנרגיה: חום.

סימולציה זו מציגה חלקיקים בגז של חלוקת מהירות/אנרגיה ראשונית אקראית המתנגשים זה עם זה, מתרמים ומתקרבים לחלוקה של מקסוול-בולצמן. המצב של הגעה לשיווי משקל תרמי הוא כאשר כל חלקי המערכת יכולים להחליף אנרגיה, להתנגש ולהתקשר עם כל שאר החלקים במערכת בחופשיות, וקל להשיג למערכת סגורה, מבודדת ובלתי משתנה. לעומת זאת, היקום המתרחב הוא בפראות משיווי משקל.

אם כל ההתנגשויות היו אלסטיות, היית פשוט מקבל מסה גדולה של גז שהסתחרר והסתובב סביב מרכז המסה הכולל שלו, עם תכונות כמו הטמפרטורה והאנרגיה הקינטית של כל מין אטום בגז שלך שנקבע על ידי תפוצה שנחקרת היטב :התפלגות מקסוול-בולצמןו כפי שמוצג לעיל, זהו קירוב שימושי לעיתים קרובות למשהו כמו גז המחומם לטמפרטורה מסוימת בתוך קלורימטר בנפח קבוע.

עם זאת, אם היית לוקח את אותה אוכלוסייה דמיונית של גז, ואתה צמצמת את הנפח שהוא תפס - וזה בדיוק מה שקורה כשמתרחשת התמוטטות - היית מגלה שהטמפרטורה של הגז גדלה! טמפרטורות גבוהות יותר תואמות מהירויות גדולות יותר ואנרגיות קינטיות גדולות יותר, וזה מוביל גם לתוצאה אחרת: לחצים גבוהים יותר.

כשאתה מגביר את הלחץ של גז, הוא נוטה לרצות להתרחב כלפי חוץ. הדרך היחידה לגרום לענן גז לקרוס, אם כן, היא:

• התחל עם ענן שקר מספיק,
• וכאשר זה מתחיל להתכווץ, זה צריך להיות יעיל מספיק עם שפיכת החום,
• אחרת זה לא יקרוס עוד יותר, ובמקום זאת יתגלה מחדש.

אז איך החומר הרגיל שופך את החום שלו? באמצעות התנגשויות לא-אלסטיות פולטות חום, באמצעות קרינה אלקטרומגנטית פולטת פוטון, או דרך היותם במגע עם אוכלוסייה קר יותר של חומר.

אזור קטן זה בסמוך ללב NGC 2014 מציג שילוב של כדוריות גזים מתאדות וכדורי בוק צפים חופשיים, שכן האבק עובר מהטילים החמים והקופצניים בחלקו העליון לצפוף, עננים קרירים יותר שבהם נוצרים כוכבים חדשים פנימה למטה. תערובת הצבעים משקפת הבדל בטמפרטורות וקווי פליטה מחתימות אטומיות שונות. זה רק בגלל האינטראקציות האלקטרומגנטיות בין חומר רגיל, יכולים להיווצר מבנים מורכבים ומתמוטטים, כמו אלה שנראו כאן.

זו הסיבה שאיננו יכולים ליצור כוכבים חדשים מאוכלוסיות של גז חם; הענן המולקולרי הראשוני צריך להיות קר מספיק, או שהוא לא יוכל לקרוס. זו הסיבה שיש שיפועי טמפרטורה אדירים הנוצרים בלבבות פרוטוסטרים וענני גז מתמוטטים אחרים: מכיוון שבהם החלקיקים הם הצפופים ביותר והתמוטטו בצורה החמורה ביותר, הכמות הגדולה ביותר של החום נלכדת, לעומת החיצוניות הפחות צפופה הפחות צפופה. שכבות שיכולות להקרין ביתר קלות, לשכנע ולהעביר תרמית את החום. זו הסיבה שענני גז גדולים נוטים להתפוצץ לגושים קטנים יותר, ומדוע איננו יוצרים רק "כוכב ענק אחד" מרוב האזורים היוצרים כוכבים, אלא מאות, אלפים, או אפילו מספר גדול יותר של כוכבים של מגוון רחב של המונים ו

עם זאת, כל הדרכים הללו "להיפטר מחום" או "שפיכת אנרגיה קינטית" תלויים באותה אינטראקציה אחת שהופכת את הקרינה, העברה תרמית והתנגשויות לא -אלסטיות: אלקטרומגנטיות. אם היינו מכבים את האינטראקציה האלקטרומגנטית - שאולי למרבה המזל, איננו יכולים לעשות בעניין רגיל - אז ענן הגז הזה לעולם לא יכול להתמוטט ליצירת כוכבים. יתר על כן, חומר רגיל לא יכול היה להתמוטט ליצירת דיסק לגלקסיות הדיסק; חומר לעולם לא ייצר דיסקים פרוטופלנריים סביב כוכבים שהיוו לאחרונה, ולעולם לא יוביל לכוכבי לכת; היקום היה נאבק בכלל ליצור מבנים קשורים.

קבוצת איורים זו מסבירה כיצד יכול להיווצר חור שחור גדול מהתמוטטות הישירה של ענן גז מסיבי תוך מספר מאות מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. זרמי גז, אם הם קרים מספיק, יכולים להוביל להתמוטטות ישירה של חור שחור "זרע" של כמה עשרות אלפים (לפחות) של המוני סולאריים, שיכולים להיווצר אפילו לפני כל כוכבים שנוצרו בקרב הצעיר שמסביב גָלַקסִיָה. ככל שהגלקסיה והחור השחור גדלים, בסופו של דבר תוכן המסה הכוכב יעלה על החור השחור הצומח לאט יותר. חומר כהה, שאינו יכול להיות "קר" על ידי שפיכת חום באותה צורה, לא יכול ליצור חור שחור באופן דומה.

אבל זה יכול לגרום למבנים מפוזרים, "נפוחים", בגלל שתי סיבות עיקריות: עדיין יהיו חלקיקים מסיביים, או חלקיקים עם מסת מנוחה חיובית, יחד עם העובדה שהיקום מתרחב. בדרך כלל אנו חושבים על היקום המתרחב כחשוב לקרינה: מינים כמו פוטונים או גלי כבידה. אם יש לך יקום מתרחב וקרינה עוברת דרכו, אורך הגל של הקרינה ההיא, והוא מאבד אנרגיה, או "מתקרר."

ובכן, מסתבר שהקרינה אינה החומר היחיד שמאבד אנרגיה ו"התקרר "ככל שהיקום מתרחב; גם חלקיקים מאסיביים, או חשוב, כן. ל- Mater יש שני רכיבים לאנרגיה שלו:

• מנוחה אנרגיה המונית, שלא תשתנה ככל שהיקום מתרחב,
• ואנרגיה קינטית, שתשתנה ככל שהיקום מתרחב.

למרות שהיקום שלנו התחיל במפץ גדול חם, הוא גם התרחב. באופן כללי, למען החומר, כאשר האנרגיה הקינטית שלה דומה (או גדולה יותר) אנרגיית מסת המנוחה שלה, היא מתקרבת למהירות האור, ומתנהגת באופן דומה לקרינה. אך כאשר האנרגיה הקינטית שלה קטנה בהשוואה לאנרגיה מסת המנוחה שלה, היא נעה לאט ויכולה להתחיל להתגבש יחד.

במילים אחרות, גם אם היינו ממלאים את היקום בחומר רגיל עם האינטראקציה האלקטרומגנטית כיבתה, כשהיא מתרחבת, החומר היה מאט ומתגבש יחד למבנים גדולים, מסיביים ומפוזרים: הילות וחוטים.

קטע זה מסימולציה של גיבוש מבנה, עם התרחבות היקום, מייצג מיליארדי שנים של צמיחה כבידה ביקום עשיר בחומר כהה. עם הזמן, גושי חומר יתר על המידה מתעשרים ומאסיביים יותר, צומחים לגלקסיות, קבוצות ואשכולות של גלקסיות, בעוד שהאזורים הפחות צפופים מוותרו על העדיפות על העניין שלהם לאזורים הצפופים יותר. האזורים "הריק" בין המבנים הכבולים ממשיכים להתרחב, אך המבנים עצמם אינם עושים זאת.

האם זה נשמע מוכר?

זה אמור להישמע מוכר; זה בדיוק איך חומר אפל מתנהג: ככל שהחומר הרגיל עם האינטראקציה האלקטרומגנטית (וגם, לפחות, האינטראקציה הגרעינית החזקה) כיבתה! אמנם חומר רגיל יכול להתמוטט כדי לעשות דברים כמו "Go Splat" ו- "להיצמד זה לזה" ו"שפכת אנרגיה "ו"עוברים התנגשויות לא אלסטיות", חומר אפל לא יכול לעשות אף אחד מהדברים האלה. זה יכול למשוך רק חלקיקים אחרים (כולל חלקיקי חומר כהה אחרים) באמצעות הכבידה, ולאבד אנרגיה קינטית יחד עם התרחבות היקום.

במילים אחרות, למרות שאנו, כאסטרופיזיקאים - כולל אותי, באופן אישי, כאסטרופיזיקאי - לעתים קרובות מדברים על חומר רגיל "מתמוטט בכבידה", זה לא שהכבידה היא הגורם העיקרי מדוע נוצרו המבנים המוכרים שלנו שהתמוטטו. הכבידה היא זו שמניעה את הקריסה, אך זו האינטראקציות האלקטרומגנטיות (ובמידה בהרבה, הגרעין) שהן מה שמאפשר להיווצר "מבנים מתמוטטים". זו הסיבה היחידה לכך שחומר רגיל יכול להיווצר:

• כוכבים,
• גלקסיות,
• כוכבי לכת,
• חורים שחורים אמיתיים באסטרופיז,
• שרידים מהממים כמו כוכבי נויטרונים וגמדים לבנים,
• ואוספים קרים של חומר, כולל גז ואבק,

בִּכלָל. ללא האינטראקציה האלקטרומגנטית, חומר רגיל היה נלכד כפי שהוא חומר כהה הוא: במבנים גדולים, מפוזרים, דמויי הילה, לא מסוגלים להתמוטט עוד יותר.

הדמיית מחשב -על זה מראה את הופעתו של דיסק מסתובב לאחר מאות מיליוני שנים של התפתחות קוסמית מגז ואבק; הסימולציה כוללת גם כוכבים וחומר אפל, שאינם מוצגים כאן. אם החומר האפל היה נראה לעין, הוא היה הופך את ההילה העצומה לגדולה בהרבה, ברדיוס, מכל גודל התמונה המוצגת כאן.

זה הפיתרון לפאזל הגדול. בטח, הכבידה היא הדחף למשיכה ההדדית בין כל האובייקטים שיש להם מסת מנוחה, וככל שהמסה הכוללת יותר תואמת בנפח נתון, כך הכוח העצמי החזק יותר יהיה לאוסף החומר הזה. אבל הכבידה אינה מפרה שימור אנרגיה; זה פשוט הופך (כבידה) אנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית כאשר חלקיקים נמשכים למיקום בו הכבידה היא החזקה ביותר. אלא אם כן יש מנגנון כלשהו לאלו שזזו חלקיקים לעשות דברים כמו:

• מקרין אנרגיה,
• לְהִתְנַגֵשׁ,
• אינטראקציה (באמצעות כוח לא-גרעיני),
• להדביק או להתמזג יחד,
• "Splat" לצורה אחרת של חומר,
• או להעביר חום/אנרגיה משם,

הם אף פעם לא מתכוונים לקרוס במלואם, אלא יישארו רק קשורים זה לזה בהילה מפוזרת, רכה ובלתי מוגבלת.

ההבדל הגדול ביותר בין חומר אפל לחומר רגיל אינו גורמים כמו "מסה" או "כבידה" בכלל; למעשה, מדובר בשני נכסים שהם מאוד לא רק משותפים, אלא ניסיון זהה. ההבדלים הגדולים נובעים מהעובדה שהחומר הרגיל מקיים אינטראקציה גם דרך כוחות אחרים - באמצעות הכוח האלקטרומגנטי, בפרט - המאפשרים לו לעשות את כל אותם דברים שהוזכרו, בעוד חוויות חומר אפלאף אחד מהם לא, לפחות עד כמה שנוכל לגלות. חומר אפל לא חווה כוח דוחה, וגם לא צריך. רק העובדה שהיא רק מתקשרת בכבידה בכבידה, ולא דרך כל אמצעי אחר, מבטיחה שהיא לעולם לא תקרוס כדי ליצור מבנים קומפקטיים ומורכבים את האופן בו חומר רגיל כל כך באופן שגרתי ובלתי נמנע.

שלח את שאלותיך שאל את איתן לStartSwithabang ב- Gmail Dot com!