חומר אפל

בפיזיקה, חומר אפל (או מסה אפלה) הוא חומר היפותטי שמניחים את קיומו כהסבר אפשרי לתופעות כבידתיות מסוימות. תאוריות אחרות, כמו דינמיקה ניוטונית מתוקנת, נותנות הסבר חלופי לאותן תופעות כבידתיות, לרוב מבלי להניח את קיומו של חומר אפל. 
החומר האפל קרוי כך, משום שבניגוד לחומר שבו יכולים לצפות, דהיינו כוכבים, ענני גז וחומר בין-כוכבי, החומר האפל הוא בלתי ניתן לצפייה ישירה. מכאן נובע שאם הוא אכן קיים, אזי הוא לא מקיים אינטראקציות אלקטרומגנטיות: הוא לא פולט ולא בולע קרינה הניתנת לצפייה ישירה, אחרת ניתן היה לזהותו באמצעות האינטראקציה שלו עם קרינה כזו.
על-פי חישובים המבוססים על תורת היחסות הכללית, על מנת להסביר את התופעות הכבידתיות שאינן מוסברות על ידי החומר הנראה צריך שהחומר האפל יתרום כ-26.8% מצפיפות החומר והאנרגיה היקומית (ויחד עם האנרגיה האפלה כ-95.1% ממנה). המסה והאנרגיה שאנו מסוגלים לראות או לזהות באמצעים הטכנולוגיים הקיימים מהווים כ-4.9% מהיקום. 
שאלות קיומו ומהותו של החומר האפל הן מהבעיות הבלתי פתורות המשמעותיות ביותר באסטרופיזיקה של ימינו.

הצורך בחומר אפל

יש מספר בעיות יסודיות בקוסמולוגיה, שאחת הדרכים המקובלות להסביר אותן, היא הנחת קיומו של חומר אפל.

היווצרות המבנים

על-פי תאוריית המפץ הגדול, ראשיתו של היקום היא בהתפשטות של נקודה לוהטת, שהחלה לפני כ-13.8 מיליארד שנים. אם כך, היקום היה בעל מבנה אחיד, ותבניות החומר הנראה, כוכבים, גלקסיות, צבירים ועל-צבירים, נוצרו במשך הזמן, בהשפעתו של כוח הכבידה. אלא שכאשר מחשבים כמה זמן נדרש כדי שהיקום יגיע לריכוז הנוכחי של תבניות החומר, נראה ש-13.8 מיליארדי שנה אינם מספיקים.
קיומו של חומר אפל מסייע רבות בפתרון בעיה זו. החומר האפל משתתף באינטראקציות כבידתיות, אבל אינו מושפע מאינטראקציות גרעיניות אחרות, ובפרט אינו קורן. בהיעדר השפעתם המעכבת של הכוחות האחרים, חומר אפל ממהר להתרכז במבנים דחוסים, מהר יותר מן החומר הנראה. ביקום שרובו חומר אפל, המבנים הנראים אכן יכולים להיווצר בקצב המתחייב מגילו הצעיר של היקום.

סתירת התאוריה ושובה מחדש

התאוריה המחייבת את קיומו של החומר האפל כפתרון לבעיות המסה החסרה והיווצרות המבנים נולדה לאור תצפיות שנערכו תחילה רק על סוג אחד של גלקסיות - גלקסיות ספירליות. כאשר נערכו תצפיות דומות בגלקסיות אליפטיות, היה נראה תחילה, שהחומר האפל אינו נחוץ שם, מכיוון שניתן היה לכאורה להסביר את התנועה בתוך הגלקסיה האליפטית, בהסתמך על החומר הנראה בלבד. היות שאין זה סביר שכמות החומר האפל תלויה במידה רבה בסוג הגלקסיה, נראה היה תחילה, שמתבקש הסבר אחר לשתי הבעיות הללו וכי הסבר החומר האפל, נסתר בכך. 
ב-2005 התפרסם ב-Nature מאמרו של פרופ' אבישי דקל מן האוניברסיטה העברית, לפיו בגלקסיות אליפטיות קיימת תנועה מן המרכז והחוצה, שאינה מתגלה בקלות על ידי אפקט דופלר, המשמש להערכת המהירות והכיוון של גופים רחוקים. על-פי גישה זו, מהירותם של הכוכבים בגלקסיות אליפטיות גבוהה מזו שנדמתה לנו עד אז ולפיכך הבעיה הקיימת בגלקסיות הספירליות קיימת גם בגלקסיות האליפטיות. כתוצאה מכך, הסתירה הזו לתאוריית החומר האפל וקיומו, נפלה וההסבר הזה עדיין נדרש גם נכון ל-2014, כהסבר אפשרי אחד מתוך כמה, לבעיות המסה החסרה והיווצרות המבנים.

בסיס נתונים - "מפת מסה"

כדי ליצור בסיס נתונים, שיאפשר לנסות לפענח את מסתוריות החומר האפל, השתמשה קבוצת חוקרים בטלסקופ החלל האבל, לצורך בניית "מפת מסה", המגדירה במדויק את חלוקת המסה בצביר הגלקסיות CL0024+17 . לצורך הכנת המפה, נעזרו החוקרים ב-120 שעות צילום של טלסקופ האבל. זהו משך התצפית הארוך ביותר שהושקע עד היום לצילום צביר גלקסיות. למרות מרחקו של הצביר מכדור הארץ (למעלה מ-4.5 מיליארד שנות אור), גודלו העצום אפשר לחוקרים לחקור אותו לעומקו ולבסוף – למפותו בצורה מדויקת מאוד. 
עם השלמת המפה, בפעם הראשונה נוצר בסיס נתונים מקובל, שעל פיו יכולים החוקרים לנסות בהמשך לצפות בפיזורו של החומר האפל בצביר, ולנסות ללמוד את השפעתו על החומר הנראה. החוקרים מקווים, כי פענוח המפה והמסקנות שיילמדו מניתוחה, יסייעו למדע להבין את טיבו של החומר האפל ואת תפקידו בצבירי גלקסיות ובהיווצרות היקום וגרמי השמיים. עם זאת, מדובר בבסיס נתונים בלבד, ושימוש בשיטה זו למציאת החומר האפל או אף הוכחת עצם קיומו יצריך עוד שנים רבות של מחקר.

קרינת גמא במרכז שביל החלב

באפריל 2014 פירסמה קבוצת מדענים מ"פרמילאב" (מעבדת מאיץ החלקיקים האמריקאי), אוניברסיטת הרווארד, MIT, ואוניברסיטת שיקגו מפה חדשה של קרינת גמא במרכז גלקסיית שביל החלב, הגלקסיה שלנו. המפה הייתה מבוססת על מידע שהיה נגיש לציבור מאז קלט אותו טלסקופ קרני הגמא פרמי של נאס"א. קבוצת המדענים עיבדה את המידע מחדש, סילקה מהמפה את כל קרינת הגמא שמקורותיה ידועים ומצאה כי נותרה כמות גדולה מאוד של קרינה שכזו, המגיעה ממקור בלתי ידוע במרכז הגלקסיה שלנו. לטענת מדעני הקבוצה, המקור הבלתי ידוע של אותה קרינת גמא עודפת יכול להיות החומר האפל.
הטענה מבוססת על כך שאחת התאוריות לגבי החומר האפל היא שמדובר ב"חלקיקים בעלי מסה, המגיבים תגובה חלשה" (WIMPs) (שלא הוכח קיומם כלל). לפי אחת התאוריות, ה-WIMPs הם האנטי-חומר של עצמם, ולכן הם מאיינים זה את זה, כשאחד מהם מתנגש ברעהו. איון שכזה של חלקיקי WIMP אמור להפיק חלקיקי חומר רגיל לרבות פוטונים של קרינת גמא. החומר האפל אמור להיות דחוס ביותר בלב שביל החלב, ולכן שם אמורות לקרות ההתנגשויות הרבות ביותר מהסוג הזה ולפיכך התגלית מיוחסת על ידי המדענים שגילוה, לחומר האפל.

ניסיון לגילוי חומר אפל

באוקטובר 2013 פורסם שגלאי החומר האפל, המשוכלל והרגיש ביותר שנוצר עד כה, הקרוי LUX - Large Underground Xenon לא גילה שום חומר אפל וכי ככל הנראה כל התגליות של החומר האפל עליהן דווח קודם לכן, היו שגויות. הגלאי המשוכלל נבנה בעומק קילומטר וחצי בתוך מכרה זהב לשעבר, בדרום דקוטה והרעיון היה לגלות חלקיקי חומר אפל שעה שהם עוברים דרך כדור הארץ, אולם הניסיון כאמור נכשל. התוצאות הללו אינן שוללות עדיין לחלוטין את אפשרות קיומו של החומר האפל, הן רק מצמצמות את הצורות האפשריות בהן הוא עשוי להתקיים, אם הוא בכל זאת קיים. התכנון של עורכי הניסוי הוא ליצור מכשיר משוכלל בהרבה ולנסות לגלות באמצעותו את "החומר האפל" החמקמק.