שאלה מהקהל - הסחה לאדום בגלקסיות

במהלך שהותי במילואים הגיעה לעמוד שאלה מאת רוני קובלסקי (ואני מקווה שאייתתי את זה נכון), שלטעמי היא שאלה חשובה ושניתן ללמוד ממנה הרבה. רוני היה נחמד מאוד והסכים שאפרסם את השאלה שלו ואענה עליה בפומבי. תודה רוני!

השאלה:
איך משפיעים החומר האפל או/ו האנרגיה האפלה על היסט הדופלר של הגלקסיות? אם החומר האפל מספיק מסיבי בכדי להוסיף מהירות זוויתית, האם אותו חומר אפל לא מוסיף גם כמות נכבדה להיסט לאדום? האם יכול להיות שגלקסיות רחוקות יותר ועתיקות יותר מכילות יותר חומר אפל?

התשובה:
לפני שאוכל להתייחס לשאלה עצמה, כדאי שאסביר את המושגים בהם אשתמש במהלך הרשומה הזו (והם יכנסו לאחר מכן למילון המושגים).
ראשית מעט על מה זה בכלל הסחה לאדום - כשמדברים על קרינה אלקטרומגנטית כמו אור נראה, יש לה תדירות מסוימת. ישנם אפקטים מסוימים שיכולים לגרום לתדירות של הקרינה להשתנות, לזוז במעלה או במורד הספקטרום. כאשר הקרינה מוזזת לתדירות נמוכה יותר, זה מכונה הסחה לאדום (כיוון שאור אדום הוא בתדירויות הנמוכות של הספקטרום הנראה; כך שאם מזיזים אור נראה כלפי מטה מקבלים אור אדום יותר). בצורה דומה, הסטה לתדירות גבוהה יותר מכונה הסחה לכחול.

הסחה לאדום של ספקטרום. משמאל - הספקטרום המקורי. מימין - הספקטרום לאחר ההסחה. כפי שניתן לראות, הקווים נעו לכיוון האדום.

כפי שציינתי, יש מספר אפקטים שיכולים לגרום להסחה לאדום/כחול. המוכר שבהם הוא אפקט דופלר - כאשר מקור הקרינה נע ביחס לצופה, הדבר גורם ל"כיווץ" של הגלים, ועל כן הצופה מקבל את הקרינה בתדירות גבוהה יותר  - כלומר שיש הסחה לכחול. בצורה דומה, כאשר המקור נע הרחק מהצופה, הקרינה מוסחת לאדום. אפקט זה לא מוגבל לקרינה, כמובן, אלא תופס לכל מקור של גלים. אחת הדוגמאות המפורסמות ביותר היא של גלי קול - כאשר מכונית מתקרבת לעברכם תדירות הקול שאתם שומעים גדלה, בעוד שכשהיא מתרחקת התדירות יורדת. על כן המכונית נשמעת שונה כאשר היא נעה לעברכם מאשר כאשר היא נעה אתכם או הרחק מכם.
אפקט נוסף שיכול לגרום להסחה לאדום הוא הסחה לאדום כבידתית, וזה האפקט שרוני התייחס אליו. מדובר באפקט שנובע מיחסות כללית, שקובע שאור מושפע מכבידה, וכאשר אור יוצא מבאר כבידה התדירות שלו צריכה לקטון - כלומר שיש הסחה לאדום. בצורה דומה, כאשר האור יורד במורד באר כבידה, התדירות שלו מוסחת לכחול.

הסחה לאדום כבידתית - ככל שהאור מתרחק ממרכז באר הכבידה (כוכב, במקרה הזה), הוא מוסח לאדום, אם כי האפקט מוגזם בתמונה על מנת שניתן יהיה לראות את ההבדל.

כעת ניתן לחשוב בצורה מסודרת על השאלה של רוני, וגם לענות עליה. אנו יודעים שלפי תאוריית המפץ הגדול והתרחבות היקום, ככל שגלקסיה רחוקה יותר, היא גם נעה במהירות גדולה יותר מאיתנו. זה אומר שככל שגלקסיה רחוקה יותר, ההיסט שלה לאדום יהיה גדול יותר, ולכן אם נוכל למדוד קרינה שמקורה בגלקסיה שאנו בוחנים ושאנחנו יודעים מה אמורה להיות התדירות שלה במקור, נוכל לגלות את מרחק הגלקסיה על פי ההסחה לאדום שלה. זה אכן מה שעושים, באמצעות מה שנקרא "נרות סטנדרטיים" (מקורות קרינה שהם כל כך אחידים שאנחנו מכירים את הספקטרום שלהם מצוין, ולכן יכולים לדעת בדיוק טוב מה ההסחה לאדום שלהם). אבל גלקסיות יושבות בתוך הילות של חומר אפל, שמסיביות הרבה יותר מהגלקסיות עצמן. רוני שואל האם לא יתכן שההסחה לאדום שאנו מודדים היא למעשה אפקט של האור שנחלץ מבור הכבידה של הילת החומר האפל?
ובכן, האפקט הזה קיים, אבל הוא לא גדול ביחס להסחה לאדום שנובעת מאפקט דופלר (כלומר מהמהירות של הגלקסיות ביחס אלינו), ונלקח בחשבון כאשר מחשבים את המרחקים של הגלקסיות. יש לזכור שגם אנחנו יושבים קרוב למרכז של הילת חומר אפל, ולכן האור עובר הסחה לכחול כשהוא מגיע אלינו, אפקט שמבטל חלק מההסחה לאדום שנוצרת בזמן הבריחה שלו מההילה ממנה יצא. בנוסף, כאשר יש מספר דרכים לחשב את ההסחה לאדום (למשל, אם יש מספר מקורות קרינה מאותה גלקסיה), ניתן לכייל טוב יותר את האפקט שיוצרת ההסחה לאדום הכבידתית, כך שבסופו של דבר אנו די בטוחים במדידות המרחקים שלנו, בוודאי שמספיק בשביל שלא יהיה סביר שכל מה שאנחנו חושבים על היקום שגוי ולמעשה הגלקסיות שנראות לנו רחוקות יותר הן פשוט מסיביות יותר. :)



אני רוצה לחזור לנקודה האחרונה של רוני, אך מכיוון אחר. את השאלה הזו ניתן לשאול מבלי קשר להסחה לאדום הכבידתית, ולמעשה היא נשאלת כל הזמן- הקשר בין גיל הגלקסיה למסה שלה הוא קשר בסיסי שאנחנו מנסים להבין בצורה טובה יותר כל הזמן, והוא לא פשוט. יש כאן מספר דברים מעט מבלבלים שצריך לשים אליהם לב - גלקסיות שאנחנו רואים רחוקות מאוד הן אמנם גלקסיות שהיום הן גלקסיות זקנות, אבל אנחנו רואים אותן בזמן מוקדם, ולכן צריך לשפוט את הגיל שלהן ביחס לגיל של הגלקסיות שמסביבן. באופן כללי, לא נהוג לדבר על הגיל של גלקסיות היום אלא על הגיל שלהן בזמן שרואים אותן, מכיוון שאין אפשרות לראות איך הן נראות כיום. גלקסיות שרואים אותן בזמן מוקדם הן ככל הנראה צעירות בהרבה מגלקסיות שרואים כיום, אך יתכן שביחס לסביבה שלהן הן זקנות.
אם כן, ההבנה הנוכחית שלנו בנושא קובעת שגלקסיות צוברות עוד מסה ככל שהן מזדקנות, אולם שבממוצע, גלקסיות ביקום המוקדם הן בעלות פחות מסה מגלקסיות היום. האם גלקסיות בגיל זהה אז והיום הן בעלות מסה זהה? ובכן, זה נושא פתוח שנמצא בויכוח תמידי. יתכן ואמצא עדכונים בנושא בעתיד ואביא אותם כאן (או בעמוד הפייסבוק). הישארו בהאזנה!