בעיית המסה החסרה

בעיית המסה החסרה היא שאלה מרכזית באסטרופיזיקה המודרנית. לפי חוקי ניוטון מסלולו של גוף מושפע בעיקר מכח המשיכה של מסה קרובה אליו. בגלקסיות ספירליות רוב הכוכבים נעים במעגלים סביב המרכז, ומהירותם תלויה במסת החומר שבתוך הרדיוס שלהם.

התצפיות מתחילת שנות ה-70 הראו בעיות: ענני מימן בשולי גלקסיות ספירליות נעים מהר יותר ממה שצפוי אם מסת הגלקסיה תימדד לפי ההארה שלה. כלומר, החומר הנראה, כוכבים וגז, אינו מספיק להסביר את המהירויות.

אי התאמה דומה זוהתה כבר ב-1933 על ידי פריץ צוויקי, שחישב שמסת צבירי גלקסיות גדולה מאוד יחסית למה שנצפה ישירות. מאז שופרו התצפיות וההערכות, וכיום (2018) ההערכה היא שמסת החומר הרגיל מהווה כ-4.9% ממסת היקום, בעוד 95.1% היא חומר אפל או אנרגיה אפלה. "חומר אפל" הוא חומר בלתי נראה שאינו מפיק אור אך משפיע בכוח המשיכה.

יש גם חלופות שמערערות על החוקים הרגילים. המפורסמת שבהן נקראת דינמיקה ניוטונית מתוקנת (MOND). לפי רעיון זה, חוקי ניוטון משתנים בתאוצות מאוד נמוכות, ואז לא צריך חומר אפל כדי להסביר את מהירויות הכוכבים.

בחומר שנמצא במרחק r ממרכז הגלקסיה מהירות הסיבוב המשיקית v נקבעת על ידי המאסה שבתוך הרדיוס r: v ≈ √(G·M(r)/r). אם פיזור המסה היה מרוכז במרכז, לפי ניוטון מהירות הסיבוב תרד עם r. בתצפיות רואים עקומת סיבוב שטוחה, המהירות מתקרבת לקבוע v1 גם כש-r גדל. כדי להתאים זאת לחוקי ניוטון יש להניח שמסת הגלקסיה גדלה בקירוב ביחס ישר ל-r, כלומר יש יותר מסה הרחק מהמרכז. מבנה זה של חומר בלתי נראה סביב הגלקסיה נקרא הילה.

יש תעלומה בשמיים שנקראת "בעיית המסה החסרה". חוקי הכבידה אומרים שככל שיש יותר מסה, גופים ינועו מהר יותר.

בגלקסיות ספירליות הכוכבים מקיפים את המרכז. אבל מדידות מראות שכוכבים בשוליים נעים מהר מאוד. האנשים שוקלים רק את החומר שאנו רואים, כוכבים וגז, וזה לא מספיק כדי למשוך את הכוכבים כך.

בשנת 1933 פריץ צוויקי מצא שהצבירים של גלקסיות כבדים יותר ממה שנראה. מדענים מציעים חומר לא נראה, שנקרא "חומר אפל". חומר אפל אינו פולט אור אבל יש לו משיכה.

יש גם רעיון אחר: שאולי חוקי התנועה משתנים במקום בו התאוצה מאוד קטנה. רעיון זה נקרא דינמיקה ניוטונית מתוקנת.

תצפיות מראות שעקומת המהירות של גלקסיות נשארת כמעט קבועה רחוק מהמרכז. כדי להסביר זאת בלי לשנות חוקים, מניחים שיש סביב הגלקסיה הילה. הילה היא ענן גדול של חומר אפל סביב הגלקסיה.