3.1 עקומות הסיבוב של גלקסיות: התאמה ללא חומר אפל

דף הבית ／ פרק 3: היקום המקרוסקופי

הערת מונחים
בקטע זה “המשיכה העודפת” בשולי הדיסקה מוסברת כתוצאה משולבת של כבידה טנזורית סטטיסטית (STG) — סך משיכות זעירות המתמוצעות ונערמות לאורך חיי־המדף הסופיים של חלקיקים בלתי יציבים מוכללים (GUP) — ושל רעש טנזורי מקומי (TBN) — חבילות גלים רחבות־ספקטרום ודלות קוהרנטיות המוזרקות לתווך בעת התפרקות או אניהיליציה. מכאן ואילך נשתמש בשמות המלאים בעברית בלבד.

I. התופעה והשאלות המרכזיות

1. “מדרגות” בדיסקה החיצונית: מעבר לדיסקה האופטית החומר הנראה דליל, ולכן באופן אינטואיטיבי מהירות הסיבוב אמורה לרדת עם הרדיוס. עם זאת, תצפיות מצביעות על מדרגות מהירות ארוכות ועקביות בגבהים גבוהים.
2. שתי קורלציות הדוקות במיוחד:
   • המסה הנראית הכוללת ומהירות אופיינית בדיסקה החיצונית שוכנות כמעט על קו ישר יחיד, עם פיזור זעום.
   • בכל רדיוס, המשיכה הצנטריפטלית הכוללת תואמת כמעט אחד־לאחד את משיכת החומר הנראה, גם כן עם פיזור קטן.
3. מגוון עם קוהרנטיות: צורות העקומות משתנות — ליבה חדה או שטוחה, אורך וגובה מדרגה שונים, וטקסטורה עדינה — ומשקפות בבירור את הסביבה ואת היסטוריית האירועים. אף על פי כן, שתי הקורלציות נותרות הדוקות, דבר המרמז על מנגנון בסיסי יחיד.
4. מגבלות הגישה המסורתית: “רכיב בלתי נראה” יכול להתאים כל עצם בנפרד, אך לעיתים תכופות דורש כוונון פרמטרים ספציפי לעצם. כמו כן, קשה להסביר את הפיזור הזעיר בקורלציות באמצעות “היסטוריות היווצרות שונות” בלבד.

הרעיון המרכזי: המשיכה העודפת בדיסקה החיצונית אינה מחייבת חומר נוסף; היא יכולה לנבוע מתגובת התווך הקוסמי ברמה הסטטיסטית.

II. “נוף טנזורי” יחיד עם שלושה רכיבים

1. מדרון פנימי בסיסי (הנחיה בידי חומר נראה)
   כוכבים וגז “מושכים” את ים האנרגיה פנימה ומעצבים מדרון טנזורי המספק הנחיה צנטריפטלית בסיסית. המדרון נחלש במהירות עם הרדיוס, ולכן לבדו אינו נושא את המדרגה החיצונית.
   אוגנים תצפיתיים: יחס מסה–אור ודרגת הריכוז של צפיפות־הפנים של הגז; ריכוז גבוה מעודד עלייה פנימית “חדה” יותר.
2. מדרון תוספתי מוחלק (כבידה טנזורית סטטיסטית)
   במהלך חייהם, חלקיקים בלתי יציבים מוכללים מחילים משיכות זעירות על השדה הטנזורי של התווך. משיכות אלה מסתכמות ומתמוצעות במרחב־זמן, ויוצרות היסט פוטנציאל חלק ועמיד.
   תכונות מפתח:
   • התפלגות חלקה: נחלשת באיטיות עם הרדיוס אך נותרת מספקת בדיסקה החיצונית כדי לתמוך במדרגה.
   • תיאום עם פעילות: העוצמה מתואמת עם קצב יצירת כוכבים, מיזוגים/הפרעות, מחזורי גז וגזירת־מהירות הנגרמת ממתת או מזרועות חילזון.
   • “נעילה” עצמית: תוספת אספקה וערבול → פעילות גבוהה → מדרון תוספתי מתחזק → סקלת המהירות בדיסקה החיצונית “ננעלת”.
     אוגנים תצפיתיים: צפיפות־פנים של קצב יצירת כוכבים, עוצמת המתת, זרמי־חוזר של גז וסימני מיזוג — כולם בקורלציה עם גובה ואורך המדרגה.
3. טקסטורה בעוצמה נמוכה (רעש טנזורי מקומי)
   בעת התפרקות או אניהיליציה, חלקיקים בלתי יציבים מוכללים מזריקים לתווך גלים רחבי־ספקטרום ודלי קוהרנטיות. העלייה המשותפת שלהם יוצרת רקע דיפוזי שמוסיף רפרופים קלים ומרחיב פרופילי מהירות בדיסקה החיצונית, מבלי לשנות את ה”שטיחות הממוצעת”.
   אוגנים תצפיתיים: הילות/שרידים רדיואיים דיפוזיים, מבנים דלי־ניגוד ושדה מהירות “גרעיני”, המתחזקים לאורך צירי מיזוג או אזורי גזירה חזקה.

אינטואיציה רדיוסית

• אזור פנימי (R ≲ 2–3 Rd): הנחיית החומר הנראה שולטת; כבידה טנזורית סטטיסטית מכוונת עדין → קובעת אם הליבה “חדה” או “שטוחה”.
• אזור מעבר: התרומות דומות בגודלן → העקומה עוברת מתלילות למדרגה; המיקום זז עם הפעילות וההיסטוריה.
• אזור חיצוני (מדרגה): חלקה של כבידה טנזורית סטטיסטית גדל → מדרגה גבוהה וארוכה עם טקסטורה עדינה.

סיכום קצר: המדרגה החיצונית ≈ הנחיה בידי חומר נראה + כבידה טנזורית סטטיסטית; רפרופים דקים בשוליים ≈ רעש טנזורי מקומי.

III. מדוע שתי הקורלציות “הדוקות” כל כך

• מסה–מהירות כמעט על קו יחיד: החומר הנראה גם מזין וגם מערבל את התווך, וכך קובע את רמת הפעילות הכללית של חלקיקים בלתי יציבים מוכללים. פעילות זו קובעת את סקלת המהירות של המדרגה. לכן המסה הנראית והמהירות האופיינית החיצונית משתנות יחד מאותה סיבה, עם פיזור קטן.
• התאמת משיכה רדיוס־אחר־רדיוס: המשיכה הצנטריפטלית הכוללת = הנחיית חומר נראה + המדרון התוספתי המוחלק מכבידה טנזורית סטטיסטית. בפנים שולט הרכיב “הנראה”, ובחוץ גדל חלקה של כבידה טנזורית סטטיסטית. מסירת המקל החלקה לאורך הרדיוס מניבה התאמה כמעט אחד־לאחד.
  בדיקה ישירה: במרחק רדיוס קבוע, מיפוי השאריות הדינמיות מול גזירת גז/אבק ומול בהירות־רדיו דיפוזית אמור להראות קורלציה באותו כיוון.

התמצית: שתי הקורלציות הן שתי הקרנות של אותו נוף טנזורי — אחת במישור “מסה–מהירות”, ואחת במישור “רדיוס–משיכה”.

IV. מדוע ליבות “חדות” ו“שטוחות” מתקיימות יחד

• מנגנון השטחה: פעילות ממושכת — מיזוגים, התפרצויות יצירת כוכבים, גזירה חזקה — “מרככת” את הנוף הטנזורי המקומי, מקטינה את המדרון הפנימי ומולידה ליבה שטוחה.
• מנגנון השחזה: באר פוטנציאל עמוקה, אספקה יציבה והפרעות מתונות מסייעות להשיב או לשמר ליבה חדה.

מסקנה: “חדה לעומת שטוחה” הן שתי מצבי־קצה של אותה רשת טנזורית בתנאי סביבה והיסטוריות שונים.

V. שילוב מדידות רבות על “מפת טנזור” אחת (הנחיה אופרטיבית)

1. גדלים לשילוב במפה אחת:
   • גובה ואורך רדיוסי של המדרגה בעקומת הסיבוב
   • כיוון המתיחה והיסט המרכז של קווי שווה־κ בעידוש כבידתי חלש/חזק
   • רצועות גזירה ו“כנפיים” לא־גאוסיות בשדות מהירות של גז
   • עוצמה וכיוון של הילות/שרידי־רדיו דיפוזיים
   • כיוון הקיטוב/קווי שדה מגנטי (מסמנים של גזירה ממושכת)
2. קריטריוני שילוב:
   • יישור מרחבי: הגדלים לעיל קולוקליים ומכוונים יחד לאורך צירי מיזוג, צירי מתת או משיקי זרועות חילזון.
   • עקביות בזמן: בשלבי פעילות עולה תחילה פליטת רדיו דיפוזית (רעש), ולאחר מכן — בסקאלות של עשרות עד מאות מיליוני שנים — המדרגה מתגביה ומתארכת (משיכה). בשלבי שקט שני האפקטים נסוגים בסדר הפוך.
   • אי־תלות בתחום תדרים: לאחר תיקון לפיזור התווך, כיווני המדרגות והשאריות עקביים בין תחומים, שכן אותם קובע אותו נוף טנזורי.

VI. ניבויים בני־בדיקה (מתצפית לתהליך התאמה)

1. P1 | תחילה רעש, אחר כך משיכה (סדר זמנים)
   ניבוי: לאחר התפרצות או מיזוג תעלה תחילה פליטת רדיו דיפוזית (רעש טנזורי מקומי), ולאחר ~10⁷–10⁸ שנים יגדלו גובה ורדיוס המדרגה (כבידה טנזורית סטטיסטית).
   תצפית: התאמות משותפות על פני תקופות וטבעות; כימות ההשהיה מרעש לשינוי מדרגה.
2. P2 | תלות בסביבה (דפוס מרחבי)
   ניבוי: לאורך צירי גזירה חזקה או מיזוגים המדרגות ארוכות וגבוהות יותר, ושדה המהירות נראה “גרעיני” יותר.
   תצפית: השוואת עקומות מגזריות ופרופילים דיפוזיים לאורך צירי מתת וצירי מיזוג.
3. P3 | הצלבה בין סוגי מדידה (מפות מרובות)
   ניבוי: הציר הארוך של κ, פסגות גזירת מהירות, רצועות רדיו והציר הראשי של הקיטוב מיושרים.
   תצפית: רישום ארבע מפות במערכת קואורדינטות אחת וחישוב דמיון וקטורי באמצעות קוסינוס.
4. P4 | צורת הספקטרום בדיסקה החיצונית
   ניבוי: ספקטרום ההס功 של שאריות מהירות מציג שיפוע עדין בתדירויות נמוכות–בינוניות, אופייני לרעש טנזורי מקומי רחב־ספקטרום ודל קוהרנטיות.
   תצפית: השוואת מיקומי פסגה ושיפועים בין ספקטרומי שאריות לספקטרומי רדיו דיפוזיים.
5. P5 | זרימת התאמה (חיסכון בפרמטרים)
   שלבים:
   • שימוש בפוטומטריה ובפיזור הגז לקביעת פריורים למדרון הפנימי שמקורו בהנחיית החומר הנראה.
   • שימוש במדדי קצב יצירת כוכבים, מחווני מיזוג, עוצמת מתת וגזירה לקביעת פריורים למשרעת/סקאלה של כבידה טנזורית סטטיסטית.
   • שימוש בפליטת רדיו דיפוזית וברמת הטקסטורה לקביעת פריורים להרחבה בשל רעש טנזורי מקומי.
   • התאמת העקומה השלמה עם קבוצת פרמטרים משותפת וקטנה, ואימות מצלב מול מפות עידוש ושדות מהירות.
     מטרה: קבוצת פרמטרים אחת לריבוי מערכי נתונים — ללא כוונון ייעודי לכל עצם.

VII. אנלוגיה יומיומית

שיירת רכבים ברוח־גב:

• המנוע הוא ההנחיה של החומר הנראה.
• רוח־הגב היא כבידה טנזורית סטטיסטית, שנחלשת באיטיות עם המרחק אך שומרת על המהירות.
• מכשולי־כביש זעירים הם רעש טנזורי מקומי, המוסיף “גרעיניות” קלה לעקומה.
• לוח בקרה: דוושת האצה (אספקה), תחזוקת הדרך (גזירה/פעילות) ושימור רוח־הגב (משרעת המדרון התוספתי).

VIII. יחס למסגרת המסורתית

• שביל הסבר אחר: בגישה המסורתית “המשיכה העודפת” מיוחסת לרכיב בלתי נראה נוסף; כאן היא מצומצמת לתגובת התווך הסטטיסטית: מדרון תוספתי מוחלק מכבידה טנזורית סטטיסטית וטקסטורה דלת־משרעת מרעש טנזורי מקומי.
• כלכלת פרמטרים משופרת: שלושה גורמים שזורים — אספקה נראית, ערבול ממושך והטיה טנזורית מתמדת — מכוונים את התוצאה ומצמצמים כוונון פר־עצם.
• מפה אחת, הקרנות רבות: עקומות סיבוב, עידוש כבידתי, דינמיקת גז וקיטוב הן הקרנות שונות של אותה מפת טנזור.
• מכיל ולא מתעמת: גם אם יתגלה בהמשך רכיב חדש, הוא רק מקור מיקרוסקופי אפשרי נוסף; ביחס למאפייני־הליבה של עקומות הסיבוב, די בהשפעות הסטטיסטיות של התווך להתאמה אחידה.

IX. מסקנות

אותו נוף טנזורי עצמו מסביר את המדרגה בדיסקה החיצונית, את שתי הקורלציות ההדוקות, את הדו־קיום של ליבות חדות ושטוחות ואת ההבדלים בטקסטורה העדינה:

• החומר הנראה מעצב את המדרון הפנימי הבסיסי.
• כבידה טנזורית סטטיסטית מוסיפה מדרון תוספתי חלק, עמיד ואיטי־דעיכה, הנושא את מהירויות הדיסקה החיצונית ו“נועל” את סקלת המהירות למסָה הנראית בשל סיבה משותפת.
• רעש טנזורי מקומי מוסיף “גרעיניות” דלת־משרעת בלי לשנות את המדרגה הכוללת.

לסיכום: השאלה נעה מ“כמה חומר בלתי נראה להוסיף” אל “כיצד אותו נוף טנזורי עצמו מעוצב ללא הרף”. במסגרת מנגנון תווך מאוחד זה, מדרגה, קורלציות הדוקות, מורפולוגיית ליבה ותלות בסביבה אינן חידות נפרדות אלא מופעים שונים של אותה פיזיקה.