<div>
Science Feature Articles</div>

ענני כבשים

עברית
 

ד"ר אילן קורן. ראש בעננים

מה הקשר בין גוש עננים רך ואוורירי לבין עדר צבאים? נוסחה מתמטית שמתארת את הדינמיקה של אוכלוסיות בעלי חיים - כמו צבאים וחיות הטרף הניזונות מהם - הוסבה באחרונה למודל המתאר יחסי גומלין בין מערכות עננים, גשם וחלקיקים צפים באטמוספירה, הקרויים אירוסולים. מודל זה עשוי לסייע, בין היתר, להבין כיצד משפיעים אירוסולים מעשי ידי אדם על דפוסי הגשם.
 
לעננים נודעת תרומה משמעותית למערכת האקלים, ובמיוחד לענני סטראטו-קומולוס ימיים, אשר מכסים אזורים נרחבים מעל אוקיינוסים סובטרופיים, ומקררים את האטמוספירה באמצעות החזרת חלק מקרינת השמש לחלל. ד"ר אילן קורן, מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, וד"ר גרהם פיינגולד, ממעבדת NOAA לחקר כדור הארץ בקולורדו, מצאו כי נוסחאות המשמשות במודלים של מעגלי טורף נטרף בעולם החי מתאימות גם למעגלי ענן-גשם: ממש כמו אוכלוסיות טורפים ונטרפים, אשר גדלות ומתכווצות זו על חשבון זו, כך גם הגשם מרוקן את העננים, ואלה חוזרים ומתמלאים כאשר הגשם מסתיים. בנוסף, בדומה לאופן בו זמינות הדשא משפיעה על גודל העדר, כך גם זמינותם היחסית של אירוסולים - ה"זרעים" שיוצרים את העננים כשטיפות מים מתעבות סביבם - משפיעה על צורות העננים. אספקה גדולה יותר של חלקיקים באוויר גורמת לייצור טיפות רבות יותר, אבל טיפות אלה קטנות יותר, ולכן הן נשארות בגובה רב בדמות עננים, במקום לרדת כגשם.
 
במחקרם הקודם התבוננו ד"ר פיינגולד וד"ר קורן מקרוב במערכות סטראטו- קומולוס ימיות, וגילו תנודות בתאי עננים בעלי זרימת אוויר אנכית. במחקר הנוכחי חזרו המדענים לנתונים שנאספו, והביטו בהם ב"מבט-על", במטרה לנסות לבדוק אם נוסחה כללית תוכל לחשוף משהו על המערכות האלה. באמצעות שלוש נוסחאות בלבד הם פיתחו מודל המראה, כי הדינמיקה של עננים וגשם מחקה שלושה דפוסי יחסים ידועים בין טורפים לנטרפים. כמו אריות וצבאים, העננים והגשם יכולים להתנדנד באופן מתוזמן, כאשר מעגל הגשם ה"טורף" עוקב אחר התפתחות העננים ומפגר אחריו במעט. אפשרות אחרת היא הגעה למעין מצב שיווי משקל, שבו קצב התחדשות העננים זהה לקצב בו הגשם מקטין אותם. אפשרות שלישית היא תוהו ובוהו - הקריסה המתחוללת כאשר אוכלוסיית הטורפים "עולה על גדותיה", אשר מקבילה למצב שגשם חזק הורס את מערכת העננים.
 
על פי המודל, שינוי בכמויות האירוסולים במערכת עלול לגרום מעברים חדים בין שלושת המצבים. המודל מראה, כי קיימים שני תרחישים להיווצרות תנאים לדפוסים יציבים, וכי הם מצויים משני קצוות הקשת של כמות האירוסולים. בתרחיש הראשון, רמות אירוסולים נמוכות מובילות ליצירת עננים שהתפתחותם תלויה במידה משמעותית בריכוזי האירוסולים. בתרחיש השני, רמות גבוהות של אירוסולים יוצרות מצב רוויה. במצב זה, העננים תלויים בתנאים הסביבתיים הראשוניים בלבד.
 
"השימוש בגישה המערכתית הזו", אומר ד"ר קורן, "עשוי לפתוח צוהר חדש שדרכו נוכל לראות ולהבין טוב יותר את היחסים המורכבים בין עננים, גשם ואירוסולים בעת היווצרות המערכות. היכולת להתבונן בתמונה הגדולה תסייע לנו להבין כיצד השינוי בריכוזי האירוסולים - שנוצרים בעקבות פעילות אנושית - מחוללים שינויים בדפוסי האקלים".
 

קרב מגע

אילן קורן מתאמן בקביעות במספר אמנויות לחימה סיניות - טאי צ'י צ'ואן, שינג אי צ'ואן ובה-גואה ג'אנג, בהדרכת המאסטר ניר מלחי. כל האמנויות האלה שייכות לשיטת הקונג-פו הפנימי, ובבסיסן עומד הרעיון לקרוא את כוונותיו של היריב ולהשתמש בהן.
 
במהלך לימודי הדוקטורט נהג קורן להקדיש את כל זמנו הפנוי ללימוד, תירגול והוראת אמנויות לחימה. בימים אלה הוא נאלץ להקדיש להן הרבה פחות זמן, אבל הוא עדיין מתכנן "קאמבק" בתחום.
 
ד"ר אילן קורן. ראש בעננים
מדעי הסביבה
עברית

מוציאים את הרעל

עברית
 

מימין: פרופ' בריאן ברקוביץ וד"ר ישי דרור. מים מטוהרים

ברזל וויטמין B12 מוכרים בעיקר כתוספי מזון, אך מתברר כי כאשר הם קשורים ביחד עם חומר שלישי, הם מסוגלים לפרק חלק ממזהמי המים המזיקים ביותר - ולכן ייתכן כי יוכלו לשמש כפתרון לשיקום מאגרי מים תת-קרקעיים.
 
פרופ' בריאן ברקוביץ וד"ר ישי דרור, מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון, פיתחו מערכת לטיפול במים המבוססת על רכיבים אלה, ומפרקת את החומרים הרעילים המצויים במים לתרכובות בלתי-מזיקות, שאותן ניתן לפרק באופן טבעי. מערכות כאלה אפשר יהיה להציב בערוצי זרימה תת-קרקעיים של מי תהום, כדי לטהר את המים לפני כניסתם לצינורות. לחלופין, אפשר יהיה להשתמש בהן כדי לטהר מים לאחר שאיבתם.
 
מרבית הכימיקלים המצויים במי שפכים, אשר חודרים למאגרי המים התת-קרקעיים - הקרויים אקוויפרים - עלולים להישאר שם מאות ואף אלפי שנים. "הבעיה היא", אומר פרופ' ברקוביץ, "שחומרים מעשי ידי אדם, כמו חומרי הדברה, חומרי ניקיון ומעכביבעירה, אינם דומים לחומרים המצויים בטבע, ולכן כמעט ולא קיימים מנגנונים טבעיים לפירוקם. לרוע המזל, מרבית החומרים האלה נחשבים כמסרטנים, אפילו בכמויות זעירות ביותר, ולפי התקנים המקובלים במערב, כמותם המותרת במי השתייה מוגבלת לחלקיקים בודדים למיליארד".
 
פרופ' ברקוביץ וד"ר דרור הגיעו למסקנה,שתגובה כימית פשוטה עשויה לחתוך את המולקולות של החומרים המזיקים האלה, כך שחיידקים או תהליכים טבעיים אחרים יגמרו את העבודה. החלק ה"בלתי-אכיל" של המולקולות האלה הוא בדרך כלל קשר כימי בין פחמן וכלור או ברום. כמקור אלקטרונים המניע את התגובה בחרו החוקרים ברזל - חומר שמשחרר את האלקטרונים שלו בקלות. לאחר מכן הם חיפשו דרך לשלב את הברזל עם חומר סינון בשם דיאטומיט (diatomite). הדיאטומיט נראה כמו חול לבן דק, אבל הוא עשוי מהשלדים המאובנים של דיאטומים (צורניות) - שהם יצורים זעירים בעלי קליפה עשויה מחומר דמוי זכוכית (סיליקה). החורים המיקרוסקופיים שבגרגרים שלו הופכים אותו למסנן מצוין למיגוון רחב של נוזלים, החל במי בריכות שחייה וכלה בבירה.
 
בשלב הזה הם נתקלו בבעיה: הברזל לא נקשר היטב לבסיס הדיאטומיט, והעברת האלקטרונים הצליחה באופן חלקי בלבד. המדענים הבינו שהם זקוקים למרכיב נוסף - זרז (קטליזטור) שיסייע בהעברת האלקטרונים מהברזל למולקולות המזהמות. "במקום להמציא זרז חדש, בדקנו את עולם המולקולות הטבעיות", אומר ד"ר דרור. "המולקולה שהטבע מעדיף לצורך העברת אלקטרונים היא הפורפירין". הפורפירינים אכן מצויים במולקולות טבעיות רבות, כמו כלורופיל, המוגלובין וויטמין B12. המדענים מצאו כי ה-B12 - חומר שקל להשיגו והוא אינו רעיל - משמש פתרון טוב לבעיה. הוויטמין מנע מחלקיקי הברזל להתגבש, והם נותרו מפוזרים באופן אחיד על פני הדיאטומיט. פני השטח הגדולים של הברזל הנוצרים כך מאפשרים תגובות כימיות יעילות, וכן הזרמת מים דרך החומר. כך התחולל מעבר האלקטרונים באופן יעיל במיוחד.
 
"העלות הנוכחית של השיטה החדשה", אומר פרופ' ברקוביץ, "דומה לזה של מערכות סטנדרטיות עשויות מפחם פעיל, אך התוצאות טובות יותר. לכן הן עשויות להיות אטרקטיביות עבור תעשיות שזקוקות לכמויות מים נקיים".
 
פרופ' ברקוביץ מציין גם, שמערכות גדולות, העשויות משילוב של דיאטומיט, ברזל וויטמין B12, יוכלו להתאים לשימוש בתעלות, בקידוחי מים, ובערוצי זרימה תת-קרקעיים של מי תהום. ייתכן שאפשר יהיה להשתמש בהן כדי לשקם אקוויפרים בסכנת זיהום, וכדי לשמור על אוצרות המים היקרים המצויים בהם. יתרונות אפשריים נוספים כוללים מניעת זיהום קרקע בעקבות חלחול מים מזוהמים, הפחתת הצורך בשימוש בשיטות טיהור מים עתירות אנרגיה, ומניעת שחרורם של גזים רעילים מאקוויפרים מזוהמים לתוך מבנים תת-קרקעיים כמו חניונים.
 
שאיפות ונשיפות

שאיפות ונשיפות

בתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20 ניצב בריאן ברקוביץ עמד בפני החלטה לא קלה: לנסוע ליוהנסבורג, דרום אפריקה, שם הובטח לו מקום בתזמורת סימפונית כנגן בסון, או לבוא לישראל ולהתחיל לימודי דוקטורט בטכניון. ברקוביץ קיבל תואר ראשון ושני במתמטיקה יישומית מאוניברסיטת אלברטה, שבקנדה, אבל בין התארים הספיק ברקוביץ ללמוד אצל נגן הבסון הראשון בפילהרמונית הישראלית. לאחר מכן הוא ניגן באופן קבוע עם התזמורת הסימפונית של עיריית אדמונטון ועם קבוצות מוסיקליות אחרות. ברקוביץ בחר בישראל ובקריירה מדעית, אך הוא ממשיך לנגן, ובאחרונה - כחבר בחמישיית כלי נשיפה.   
 
 
מדעי הסביבה
עברית

בחזרה לעץ השסק

עברית

עטלפי פירות מנווטים באמצעות "מפה קוגניטיבית" המבוססת על ראייה

מכשירי GPS מאפשרים לנו לנווט ביעילות את דרכנו לכל מקום, והפכו כבר לחלק בלתי-נפרד מהחיים המודרניים הנוחים, הנשענים על טכנולוגיות מתקדמות. אבל היכולת לנווט ולהתמצא במרחב אינה רק שאלה של נוחות. למעשה, היא חיונית להישרדותם של בני-אדם ובעלי-חיים כאחד. עטלפי הפירות, לדוגמה, עפים עשרות קילומטרים מדי לילה לעץ הפרי הקבוע שממנו הם ניזונים, ושבים למערה. כיצד הם עושים זאת? במחקר שטח ראשון מסוגו, שנעשה באמצעות מכשירי GPS ממוזערים וייחודיים, עקבו מדענים אחר תנועתם של עטלפי פירות, ואספו נתונים מדויקים על הרגלי התעופה ועל כישורי הניווט שלהם. תוצאות המחקר מראות, כי העטלפים מנווטים על-פי "מפה קוגניטיבית" מקיפה, הכוללת את השטח המוכר להם מראייה, וממקמים את עצמם בהתאם לאורות או לנקודות ציון אחרות בולטות בשטח. המחקר, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה למדעים של ארה"ב" (PNAS), מציג לראשונה הוכחות לשיטת הניווט בה משתמשים יונקים בטבע.
מימין: פרופ' נתן רן, אסף צוער וד"ר נחום אולנובסקי. התמצאות במרחב
השאלה, כיצד מצליחים בעלי חיים למצוא את דרכם - אם אלה יוני הדואר החוזרות אל השובך, או דגי הסלמון השבים מן הים כדי להטיל ביצים בנחל בו נולדו - מעסיקה מדענים זה זמן רב. ניסיונות לחקור את השאלה הזו באמצעות ניסויי שטח, בטבע, נתקלו במגבלות טכניות, והניבו עד כה תוצאות לגבי ציפורים, דגים, חרקים, סרטנים, צבי ים ועוד - אך לא יונקים. ניסויי מעבדה, המאפשרים מעקב מדויק יותר אחר תנועתם של יונקים, נערכים בקני-מידה קטנים, של מטרים בודדים, ובתנאים שאינם מדמים את הנעשה בניווט אמיתי בשטח. שיטה חדשה, המאפשרת ליהנות משני העולמות, פותחה בשיתוף פעולה בין חוקר המוח ד"ר נחום אולנובסקי, ממכון ויצמן למדע, לבין האקולוג פרופ' רן נתן, ראש המכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית בירושלים, ואסף צוער, תלמיד המחקר בקבוצתו (מעבדת אקולוגיה של תנועה). כן השתתפו במחקר מדענים מאיטליה ומשווייץ. המדענים פיתחו התקנים זעירים - שמשקלם כ-10 גרמים - הכוללים את מכשיר ה-GPS הקטן ביותר בעולם (מבין המכשירים המשמשים כיום למעקב אחר חיות בר), וכן יחידת זיכרון ויחידת שידור.
 
בסדרת ניסויי שדה עקבו המדענים באמצעות התקנים אלה אחר תנועותיהם של עטלפי פירות מצויים (Rousettus aegyptiacus) במשך מספר לילות רצופים.
 
בשלב הראשון אספו המדענים נתונים על טיסות הלילה השגרתיות של העטלפים, ממערתם שבאזור שפלת יהודה, סמוך לבית שמש. התברר, כי הם עפים בקו ישר, במהירות גבוהה להפליא (המגיעה עד 40 קמ"ש, ובמקרים מסוימים אף ל-60 קמ"ש), ובגובה רב (עשרות ואף מאות מטרים), למרחק של עד כ-30 ק"מ - אל עץ הפרי החביב עליהם, וכי הם חוזרים לאותו עץ במשך מספר לילות, תוך שהם מתעלמים מעצי פרי זהים לכאורה, הסמוכים יותר למערה. הנתונים שאספו פרופ' נתן, ד"ר אולנובסקי, אסף צוער ושותפיהם למחקר מראים, כי לעטלפים יכולת ניווט מרשימה, המשתווה לזו של יונים. הנאמנות של העטלפים לעצים המועדפים עליהם מסבירה גם, מדוע קשה כל כך לגרום להם לנטוש אתר מסוים שבו הם אינם רצויים.
 
מכשיר ה-GPS שפותחו לצורך המחקר, גודלם כשני ס"מ רבועים ומשקלם כ-10 גרם, מותקנים על עטלף פירות. צילום: אסף צוער
יכולתם של העטלפים "להתביית" על עץ מסוים, תוך התעלמות מעצי פרי זהים, מרמזת כי הניווט אינו מבוסס על ריחות העץ. בנוסף, ניתוח המסלול הראה, כי הם אינם נעזרים בתוואי הדרך. מהו, אם כן, ההסבר ליכולת הניווט המרשימה הזאת? כדי לפענח את התעלומה, לקחו המדענים את העטלפים מסביבתם המוכרת והעבירו אותם לאיזור גבעות גורל, 44 ק"מ דרומית לבסיסם הקבוע. חלקם שוחררו משם עם רדת הערב, וחלקם קיבלו מזון במהלך הלילה ושוחררו רק בסופו. העטלפים ששוחררו בתחילת הלילה, כשהם רעבים, חזרו במסלול ישר אל עץ הפרי החביב עליהם, ולאחר מכן שבו למערה. לעומתם, העטלפים השבעים ששוחררו בסוף הלילה חזרו ישירות למערת השינה הקבועה.
 
בשלב זה נועץ צוות המחקר בטייסים. כך התברר, שמאיזור גבעות גורל אפשר לראות למרחוק עצמים בולטים כמו ארובות תחנת הכוח באשקלון וצמתים מרכזיים. לפיכך, ייתכן שהעטלפים, שלהם עיניים גדולות וחוש ראייה מצוין, מכירים ציוני דרך אלה ממעופם היום-יומי באיזור המחיה שלהם, וכי הם מנווטים בעזרתם. כדי למנוע מהעטלפים להסתמך על ציוני דרך חזותיים מוכרים, השתמשו החוקרים ב"בור" טבעי, אשר שדה הראייה ממנו מצומצם: העטלפים נלקחו הפעם למכתש הגדול, במרחק 84 ק"מ מהמערה, ושוחררו מתוכו - או מפסגת הר אבנון שעל שפת המכתש. בעוד שהעטלפים ששוחררו מפסגת ההר עפו ישירות למערה, העטלפים ששוחררו בתוך המכתש תעו ונעו בתוכו זמן רב במסלול מפותל ורב-כיווני, אך בסופו של דבר הצליחו לצאת מתוכו ולעוף למערה.
 
ממצאים אלה מאשרים, כי העטלפים מנווטים בהתאם ל"מפה קוגניטיבית", אשר כוללת איזור נרחב המוכר להם ככל הנראה בעיקר מראייה. הניווט מונחה בעיקר על-ידי ציוני דרך מרוחקים, כמו הרים וגבעות, או אורות יישובים, המאפשרים לעטלפים למקם את עצמם ביחס אליהם – באמצעות טריאנגולציה. בנוסף, במרבית המקרים יצאו העטלפים מחלקו הצפוני של המכתש, כלומר בכיוון הכללי אליו רצו להגיע. פרופ' נתן וד"ר אולנובסקי סבורים, כי עובדה זו מצביעה על קיומו של מנגנון ניווט נוסף - המבוסס, ככל הנראה, על השדה המגנטי או על הריחות הנישאים עם הבריזה המגיעה מן הים התיכון - "מנגנון גיבוי" המשמש את העטלפים במקרים שאינם יכולים להסתמך על המפה הקוגניטיבית.
 
ניווט מבוסס-מפה הודגם עד כה ביונקים בקני-מידה של מטר או שניים, בתנאי מעבדה בלבד. הממצאים החדשים מהמחקר על עטלפי הפירות הם הדוגמה הראשונה כיצד מנווטים יונקים על-פי מפה בקני-מידה גדולים - כ-100 קילומטרים.
 
מסלול התעופה של העטלפים, שאורכו כ-30 ק"מ, ממערות לוזית (סמוך לבית שמש) אל עצי הפרי של מושב תלמי יחיאל (סמוך לקרית מלאכי).
 

בחזרה לטבע

נחום אולנובסקי חוקר עטלפים בסביבתם הטבעית - אך הוא אוהב לבלות בחיק הטבע גם בזמנו הפנוי. בעברו עסק בטיפוס צוקים, ואף עשה רשיון הדרכת סנפלינג, בצלילה ובקיאקים ימיים, ויצא למספר טיולי קיאקים ביוון ובקרואטיה. בשנים האחרונות הוא נהנה לטייל עם אשתו ושלושת ילדיו - בני 10, 6 ו-3. כל הילדים ישנו באוהלים בחוץ מגיל חצי שנה לכל המאוחר. המשפחה המטיילת עשתה טרקים בנפאל, בקוסטה ריקה ובהרי הפירנאים.
 
מימין: פרופ' נתן רן, אסף צוער וד"ר נחום אולנובסקי. התמצאות במרחב
מדעי החיים
עברית

אבק כוכבים

עברית

כוכב מתפוצץ חדש שהתגלה בגלקסיה M51, הסמוכה לגלקסיה שלנו, צולם במצפה הכוכבים החדש של מכון ויצמן למדע

כוכבים מתפוצצים הם "בתי החרושת" שבהם מיוצרים כל החומרים המרכיבים את גופנו. במובן הזה, אנשים עשויים, למעשה, מאבק כוכבים. הביטוי "כוכב" מתייחס לשמש מסוג מסוים (כדור-הארץ, למשל, הוא כוכב-לכת, ולא כוכב). התפוצצויות כוכבים, המכונים "סופרנובה", הם אירועים אנרגטיים מאוד, המאירים לעיתים את שמי הלילה. ההתפוצצות נובעת מהפרת האיזון בין כוח הכבידה שמושך את החומר של הכוכב (השמש) פנימה, לבין החום שנוצר בתגובה הגרעינית במרכזו ודוחף את החומר החוצה.
 
מימין לשמאל: יאיר הרכבי, ד"ר עופר ירון, ד"ר אבישי גל-ים ואילן מנוליס. יסודות
סוג מסוים של כוכבים מתפוצצים הם בעלי מאסה גדולה בהרבה (פי 100-10) וצעירים יותר מהשמש שלנו. בכוכבים אלה, התגובה הגרעינית מתחילה במיזוג של מימן להליום, כמו בשמש שלנו. אבל בהמשך, כאשר המימן בליבת הכוכב אוזל, נמשך מיזוג גרעיני של יסודות כבדים יותר, עד שליבת הכוכב הופכת לברזל. בשלב הזה, מכיוון שמיזוג של אטומי ברזל אינו מפיק אנרגיה, התגובה הגרעינית מסתיימת - והאיזון מופר. בהעדר כוח שדוחף החוצה, כוח הכבידה משתלט, ומאסת הכוכב קורסת פנימה. תוך כדי הקריסה משתחררת אנרגיה רבה הגורמת לפיצוץ, והכוכב משליך את השכבות החיצוניות שלו למרחבי היקום. כאשר זה קורה, "מופיע" לפתע כוכב בהיר מאוד, במקום שבו לא נראה קודם לכן כוכב. זה מה שקרה בלילה שבין 31 במאי ל-1 ביוני השנה. באחת מהזרועות החלזוניות של גלקסיה M51 הופיע לפתע כוכב מתפוצץ.
הראשונים שזיהו את הסופרנובה היו אסטרונומים חובבים מצרפת. גם מצפה הכוכבים החדש על-שם קראר של מכון ויצמן למדע, בהנהלת אילן מנוליס, צילם את התופעה, וכך גם מצפה הכוכבים על-שם וייז של אוניברסיטת תל-אביב במצפה רמון. מיקומה של ישראל בעולם מאפשר לנו לעקוב אחר הסופרנובה בזמן שבו רוב המצפים האחרים מוארים באור יום, ואינם יכולים לאסוף נתונים.
 
את הסופרנובה שהתגלתה חוקר צוות מדענים בין-לאומי, שבו חברים גם ד"ר אבישי גל-ים, ד"ר עופר ירון, ד"ר דוד פולישוק, ד"ר דונג קסו, ותלמידי המחקר שגיא בן עמי ויאיר הרכבי מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע. כן משתתפים בו מדענים מארצות הברית, מבריטניה, מקנדה וממדינות נוספות. כבר בשלב זה התברר, שהחומר של הכוכב המתפוצץ אשר התפזר בחלל מכיל סוגים רבים ושונים של יסודות. מבחר חומרים זה אינו אופייני לכוכבים מתפוצצים בשלב כל כך מוקדם של הפיצוץ, והמדענים מתכוונים לבחון את התופעה.
 
הסופרנובה האחרונה שהתגלתה בגלקסיה M51 (הקרובה אלינו כ-26 מיליון שנות אור בלבד) התחוללה בשנת 2005. לפי התפיסה המקובלת, תופעה כזאת אמורה להתחולל אחת ל-100 שנים בכל גלקסיה, אלא שגלקסיה M51 מצויה באינטראקציה (חיכוך מסוים) עם גלקסיה שכנה, מה שגורם להאצת קצב היצירה, ובעקבותיה - הקריסה וההתפוצצויות של כוכבים מאסיביים.
 
ד"ר גל-ים: "אנו מבקשים מאסטרונומים חובבים בארץ שצפו באירוע וצילמו אותו, לשלוח אלינו את התמונות ואת התיזמון. שיתוף הפעולה עם האסטרונומים החובבים חשוב לנו מאוד, והוא עשוי לסייע בקביעת העיתוי המדויק של התפוצצות הכוכב".
 
המדענים מעוניינים בתמונות של הגלקסיה M51 אשר צולמו בין 30 במאי ל-2 ביוני השנה. את הקבצים הגולמיים ביותר שאפשר להפיק יש לשלוח ל- ptf11eon@gmail.com.
 
אם התמונה תהיה שימושית, ונתוניה ייכללו במאמר מדעי, יהיו מגישי התמונה שותפים לפרסום.
 
(הסופרנובה החדשה מסומנת בעיגול)

המערבולת

גלקסיה M51 קרויה גם גלקסיית המערבולת. זוהי גלקסיה ספירלית השוכנת בקבוצת "כלבי ציד". היא מרוחקת כ-26 מיליון שנות אור מהגלקסיה שלנו. המדענים מתעניינים בה בין היתר בשל יחסי הגומלין הכבידתיים המעניינים בין זרועותיה לבין הגלקסיה השכנה. אסטרונומים חובבים מרבים גם הם לצפות בה, בעיקר בשל יופיה והמבנה האופייני המעניין שלה.
 
 

פינג פונג

אבישי גל-ים התחיל לשחק טניס שולחן כבר בנערותו, בקבוצת הנוער של הפועל ירושלים, וכיום הוא מתאמן בקביעות (פעמיים בשבוע - אם זמנו מאפשר לו) בקבוצת חובבים ברחובות. בקבוצה מתאמנים תלמידי מחקר וחוקרים צעירים נוספים ממכון ויצמן למדע, ובטורניר פנימי שערכה הקבוצה באחרונה, זכה גל-ים במקום הראשון.
חלל ופיסיקה
עברית

תיאום מוח

עברית

סינכרון נמוך בפעילות המוח של פעוטות עשוי להיות סמן לאוטיזם. התגלית עשויה לסייע בפיתוח שיטה אמינה לאבחון אוטיזם בגיל צעיר

 
מימין: ד"ר אילן דינשטיין ופרופ' רפי מלאך. סינכרון
הגורמים הביולוגיים לאוטיזם עדיין אינם מובנים, ולכן אבחון ודאי של התסמונת אפשרי רק בגיל שלוש עד ארבע, עם הופעת התסמינים ההתנהגותיים, באמצעות מבחן התנהגותי סובייקטיבי. מחקר של מדענים ממכון ויצמן למדע ומהמרכז לחקר האוטיזם של אוניברסיטת קליפורניה בסן-דייגו מציע לראשונה מדד ביולוגי אמין ומדויק לאבחון אוטיזם אצל פעוטות, כבר בגיל מוקדם ביותר. בדימות תיפקודי מוח בתהודה מגנטית (fMRI) של פעוטות ישנים בגיל שנה עד ארבע שנים, גילו המדענים סינכרון נמוך בפעילות של שתי אונות המוח בפעוטות האוטיסטים - לעומת רמת סינכרון גבוהה אצל פעוטות בריאים - באזורי מוח הקשורים בשפה ובתקשורת.
 
"הבנת המדדים הביולוגיים המאפיינים ילדים אוטיסטים היא מטרה חשובה עבור מדענים ברחבי העולם, משום שהיא עשויה לתת כלי לאבחון של התסמונת בגיל צעיר, וכן לספק למדענים קצה חוט בניסיונותיהם להבין את הגורמים למחלה ואת אופן התפתחותה", אומר החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אילן דינשטיין, מקבוצתו של פרופ' רפי מלאך במחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, שעמד בראש צוות המחקר. תקשורת לקויה בין תאי עצב באזורים שונים במוח היא אחת ההשערות שהועלו לגבי גורם לתסמינים הקשורים באוטיזם, אך עד כה לא נמצאה דרך לבדוק אותה בתינוקות - משום שמסובך לבצע מדידת פעילות מוח של פעוטות באמצעות סריקת fMRI. פתח לפתרון הבעיה נוצר הודות למחקרים שביצעו קבוצתו של פרופ' רפי מלאך - וקבוצות מחקר נוספות בעולם - שלפיהם גם בזמן שינה, המוח אינו ישן. תאי המוח ממשיכים לעבוד גם בעת מנוחה, ומתרחשות בהם מעין תנודות של פעילות חשמלית, באופן מקביל בשתי אונות המוח - הימנית והשמאלית - כבתמונת מראה.
 
בפעוטות בעלי התפתחות מוח תקינה (למעלה) נראתה רמה גבוהה של פעילות מוחית מסונכרנת, ואילו בפעוטות הסובלים מאוטיזם נראתה פעילות מסונכרנת חלשה באזורי מוח הקשורים בשפה ובתקשורת (באדום ובכחול)
סריקת פעילות המוח של פעוטות אוטיסטים הראתה רמה נמוכה של הפעילות המוחית המסונכרנת הזו באזורי מוח הידועים כמעורבים בשפה ובתקשורת, בהשוואה לפעוטות שהתפתחותם רגילה, וכן בהשוואה לפעוטות הסובלים מעיכוב בהתפתחות שפה אשר אינו קשור לאוטיזם. בנוסף, נמצא מיתאם בין עוצמת הסינכרון לבין היכולות בתחום השפה והתקשורת: ככל שהפעילות המסונכרנת הייתה נמוכה יותר, כך היו סימני האוטיזם קשים יותר. לעומת זאת, רמה גבוהה של פעילות מוחית מסונכרנת נראתה בפעוטות עם יכולות מילוליות גבוהות. באופן זה עלה בידי החוקרים לזהות 70% מהפעוטות שלוקים באוטיזם כבר בגילאי שנה עד שלוש שנים. ממצאי המחקר התפרסמו בכתב העת Neuron.
 
ד"ר דינשטיין: "גילינו מדד ביולוגי אפשרי לאבחון תינוקות אוטיסטים, בנקודת התפתחות שבה רק מתחילים להתגלות סימנים ראשונים. השאיפה היא שבשנים הקרובות יתגלו מספר מדדים נוספים, שהשילוב ביניהם יאפשר אבחון אובייקטיבי ומדויק של התסמונת".
 

בדרך אל הים

בדרך אל הים
רפי מלאך: "כדי לברוח קצת מהמועקה שבימי קיץ אלו מומלץ מאוד לבלות שעת ערב על חוף הים - לנשום עמוק את האוויר המלוח, ולהתמכר לתנועה המהפנטת של הגלים, בעודם  הולכים ונצבעים לאט בצבעים העמוקים של השמש השוקעת".
 
 
מדעי החיים
עברית

מבט מהפסגה

עברית
 
 
ד"ר דמיטרי גורביץ. מרחבים ליניאריים
 
 
מאז ילדותו ידע דמיטרי גורביץ' שהוא ילמד מדעים מדויקים, אך אפילו כאשר התקבל לאוניברסיטה בגיל 15, לאחר שעלה ארצה מרוסיה, עדיין לא היה בטוח שהוא מעוניין בקריירה אקדמית. הספקות נעלמו רק לאחר שהתוודע לתורת ההצגות, תחום מופשט ביותר במתמטיקה. "הרגשתי כאילו טיפסתי לפסגת הר גבוה, ופתאום נגלו לעיני חלקים של כדור-הארץ שעד אז לא ידעתי על קיומם", נזכר ד"ר גורביץ', שהצטרף באחרונה למחלקה למתמטיקה במכון ויצמן למדע. "חוויתי שמחה עצומה של תגלית. פתאום הבנתי הקשרים שכלל לא הכרתי בין מושגים שונים".
 
ד"ר גורביץ' עוסק במתמטיקה במשך יותר ממחצית חייו (הוא בן 29), וזאת במידה רבה בזכות לימודיו בבית-הספר מספר 30 האגדי בסנט-פטרסבורג, אז לנינגרד, שהיה ידוע כחממה לגאונים מתמטיים: תלמידיו זכו במספר גבוה במיוחד של פרסים באולימפיאדות עירוניות ולאומיות, ורבים מהם הפכו לימים למתמטיקאים מובילים.
 
לאחר שעלה לארץ עם הוריו בשנת 1995, החל גורביץ' ללמוד מתמטיקה באוניברסיטת תל-אביב במסגרת ההסדר הקרוי "מעמד מיוחד", אשר איפשר לו להתקבל לאוניברסיטה במקביל ללימודיו בבית-הספר התיכון. בקורס של פרופ' יוסף ברנשטיין נחשף לקסמה של תורת ההצגות. לימים בחר בתורה זו כנושא המחקר שלו, אך קודם לכן קיבל תואר ראשון בהצטיינות בגיל 18, השלים את שירותו בצה"ל, ובגיל 22 התקבל כתלמיד מחקר במכון ויצמן למדע. לאחר שקיבל את התואר השני ואת הדוקטורט שלו ממכון ויצמן, שניהם בהנחיה משותפת של פרופ' ברנשטיין מאוניברסיטת תל-אביב ופרופ' סטיבן גלברט מהמכון, ביצע ד"ר גורביץ' מחקר בתר-דוקטוריאלי במכון ללימודים מתקדמים שבפרינסטון, ולאחר מכן באוניברסיטת ראטגרס, ניו-ג'רסי. כעת הוא מבצע מחקר על תורת ההצגות כחוקר בכיר במכון ויצמן, מעמד בו זכה בינואר השנה.
 
עוצמתה של תורת ההצגות, אשר עוסקת בסימטריות של מרחבים ליניאריים, נובעת משילובם של שני מושגים בסיסיים במתמטיקה: שיטת הליניאריזציה ומושג הסימטריה, המופיע בבעיות רבות במתמטיקה, בפיסיקה ובמדעים אחרים. לתורה זו מיגוון רחב של יישומים – בתחומים אחרים של מתמטיקה, במכניקה קוונטית, בהנדסה ובמדעי המחשב, אך יישומו של מחקר בסיסי לוקח זמן רב. עברו כמה עשרות שנים עד שמושגים מסוימים של תורת ההצגות, אשר פותחו בסוף המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20, יושמו בטומוגרפיה ממוחשבת, המשמשת לדימוי רפואי. עשרות שנים חלפו עד שמושגים אחרים סייעו בזירוז חישובים או סיפקו פתרונות לבעיות חשובות במדעי המחשב, כגון בעיית ה-expander ("גרף מרחיב"), שפתרונה מאפשר לחבר משתמשים רבים לרשת תקשורת אחת באופן אופטימלי.
 
קשה לחזות אילו יישומים עשויים לצמוח יום אחד ממחקריו הנוכחיים של ד"ר גורביץ'. יחד עם עמיתיו הוא כבר הצליח להוכיח את ה-multiplicity one conjectures ("השערות חוסר ריבוי"), שלא נמצא להן פתרון במשך 20 שנה, ובהמשך תרם מספר תרומות נוספות. דבר אחד בטוח: פסגת ההר שאליה הוא מטפס במחקריו גבוהה במיוחד - הוא עובד על הצגות של חבורות לא-קומפקטיות, הידועות במורכבותן. מפסגה זו הוא מקווה לגלות נופים חדשים, הנסתרים כיום מרוב המדענים.
 

רומן מתמטי

רומן מתמטידמיטרי ואשתו אנה נפגשו לראשונה בהרצאה על טופולוגיה אלגברית באוניברסיטת תל-אביב. לרומן שלהם תרם עניין משותף בגיאומטריה אלגברית. זמן קצר לאחר חתונתם פירסם הזוג מאמר מדעי משותף בכתב-העת המדעי Journal of Pure and Applied Algebra. כיום הם גרים עם ילדיהם ברחובות. אנה מלמדת מתמטיקה באוניברסיטת תל-אביב, ממנה קיבלה את תואר הדוקטור.
 
 
 
ד"ר דמיטרי גורביץ. מרחבים ליניאריים
מתמטיקה ומדעי המחשב
עברית

מיקוד קצר מועד

עברית
 

מימין: פרופ' ירון זילברברג, ערן שמאל ואורי כץ. מתחת לפני השטח

הנה כמה עובדות ידועות על קרני לייזר: אלומות ממוקדות של קרני לייזר משמשות לחיתוך מתכות כבר כמה עשורים. הן יכולות גם להחליף את איזמל המנתחים וגם לשמש כמקור אור בהדמיה רפואית ובשיטות מיקרוסקופיה מתקדמות. ברבים מהשימושים הללו נדרש למקד את הקרן לנקודה אחת כדי לרכז את עוצמת האור. לעיתים, כדי לבצע חיתוך מדויק מבלי לגרום נזק באיזור, משתמשים המדענים בהבזקי אור קצרים מאוד (פחות ממיליונית-מיליונית השנייה), שהם בעלי עוצמה רגעית גבוהה.
 
כאשר נקודת המוקד היא על פני השטח, אין קושי לרכז את האור בנקודה אחת. אבל מה קורה כאשר מנסים למקד את האור מתחת לפני השטח, למשל בגידול סרטני בעומק הגוף? במקרה כזה מתעוררים קשיים לא פשוטים, אפילו כשנקודת המטרה היא בעומק של פחות ממילימטר מתחת לעור. הקושי נעוץ בכך שרקמות ביולוגיות אינן שקופות - המבנה הלא-אחיד של הרקמות גורם לפיזור האור, כך שבמקום להתמקד בנקודה אחת, הוא מתפזר באופן בלתי-מבוקר. בנוסף, הבזק האור, שהיה קצר כאשר שוגר ממקור קרני הלייזר, מתארך ומתעוות, כתוצאה מהמעבר דרך הרקמה המפזרת. התוצאה היא החלשה משמעותית בעוצמת האור, ואובדן היכולת לעשות בו שימוש כאיזמל חד.
 
פרופ' ירון זילברברג, ותלמידי המחקר אורי כץ, ערן שמאל וירון ברומברג, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בחנו כיצד ניתן למקד הבזקים מהירים של אור לייזר העוברים דרך תווך מפזר. הם פיתחו דרך המבוססת על משוב: המערכת בוחנת בזמן אמיתי כיצד מתפזר האור העובר דרך התווך, ומעצבת בעזרת אלגוריתם מתמטי קרן לייזר ש"מפצה" על הפיזור הצפוי. המערכת הממוחשבת מייצרת קרן לייזר בעלת מאפיינים ה"תפורים" בדיוק לרקמה, כך שהקרן מגיעה אל המטרה בעומק הרקמה כשהיא ממוקדת. במחקרם, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Photonics, מתארים המדענים מערכת אשר מבצעת תיקון של קרן הלייזר באמצעות מסך גביש נוזלי (LCD) פשוט כמו זה הנמצא בכל מקרן ממוחשב. עד כה היה ידוע, כי באמצעות מסך כזה ניתן לתקן עיוותים מרחביים בלבד. המדענים הראו, כי באופן מפתיע למדי, שימוש במערכת פשוטה זו מאפשר תיקון העיוותים של הבזק האור גם במימד הזמן. במילים אחרות, הבזק האור המתוקן יכול לחדוראת הרקמה, ולהגיע אל המטרה כשהוא ממוקד במרחב וגם פועל במשך זמן קצר. המדענים מקווים, כי מערכת זו תסייע, בעתיד, בפיתוח יישומים של קרני לייזרת ברפואה ובמיקרוסקופיה ביולוגית בעומק הרקמות, וכן במחקר בסיסי בתווכים מורכבים.
 
עוצמת הפלואורסנציה שיוצר הבזק אור העובר דרך פיסת עצם בעובי חצי מ"מ - (משמאל) לפני הפעלת האלגוריתם הממקד את עוצמת האור בנקודה אחת, (מימין) ואחרי הפעלת האלגוריתם
 
מימין: פרופ' ירון זילברברג, ערן שמאל ואורי כץ. מתחת לפני השטח
חלל ופיסיקה
עברית

בין התעוררות להתפרקות

עברית
 
פרופ' דוד טנור. בשם היעילות
כימיה היא עסק מסורבל. תגובות כימיות מורכבות כוללות בדרך כלל שלבים רבים, ומייצרות לעיתים קרובות פסולת רעילה. כדי להפיק חומר מסוים מחומרים אחרים, יש צורך, בדרך כלל, לערבב את חומרי המוצא, לספק אנרגיה, להוסיף זרזים. הרבה עבודה. לא פלא שלכימאים יש חלום: הם מקווים לבצע יום אחד תגובות כימיות באמצעות קרן לייזר, שתכוון למולקולה מסוימת ותגרום לשבירת קשרים כימיים מסוימים בה, באופן בררני. קל, חד, חלק ופשוט.
 
אמנם, לאכזבתם של אלכימאים ואנשים אחרים, שיטה זו לא תצלח להפיכת עופרת לזהב (לשם כך יש צורך לשנות את גרעיני האטומים, דבר שאי-אפשר לעשות באמצעות קרן לייזר), אבל היא עשויה להציע יתרונות לא מבוטלים בתחום הגברת היעילות של תגובות כימיות שונות, ובביצוען בדרכים נקיות וזולות. למשל, כיום מייצרים תרופות שונות בתהליכים כימיים אורגניים מורכבים הכוללים עשרות תמורות. באמצעות לייזר ייתכן שאפשר יהיה לייצר בעתיד אותן תרופות בתהליכים פשוטים ויעילים בהרבה.
 
פרופ' דויד טנור, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, סבור, שהשיטה עשויה להיכנס בעתיד לשימוש תעשייתי. האופטימיות שלו נובעת מהקצב המהיר של המחקר במעבדות מובילות בעולם, ובהן גם מעבדתו במכון ויצמן. באחרונה הצליחו פרופ' טנור ותלמיד המחקר דויד אבישר, בעבודתם התיאורטית, לפתח דרך שיטתית לשיחזור השינויים הגיאומטריים המתחוללים במולקולה אחרי שהיא עוברת למצב "מעורר", כתוצאה מחשיפה לקרינה. במצב זה פולטות המולקולות אור בעיתוי מסוים ובאורך גל מסוים. במאמר שפירסמו בכתב-העת המדעי Physical Review Letters מתארים המדענים כיצד ניתחו את האור הנפלט, ושיחזרו באמצעות נתוניו את התהליכים שהתחוללו במולקולה בזמן ההתעוררות.
 
כאשר מולקולות מתעוררות, מתחוללים בהן שינויים רבים: לפעמים הן נמתחות או מתפתלות, וחלק מהקשרים הכימיים עשויים להישבר. השיחזור שנעשה במכון ויצמן, הבנוי משורה של תמורות מתמטיות, מגלה את הרצף המדויק של האירועים שהתחוללו במולקולת ליתיום הבנויה משני אטומים, החל מהזמן שהיא מתעוררת ועד שהיא מתפרקת. כעת מתכננים המדענים לבצע שיחזור דומה עם מולקולות גדולות יותר, הבנויות משלושה אטומים ויותר.
 
שיחזורים מסוג זה מספקים מידע חיוני על השינויים שגורם האור במבנה המולקולה. מידע כזה יכול להצביע על הדרך לשינוי הקשרים האלה לפי הצורך. למשל, אם נדע אילו קשרים נחלשים או נשברים כתוצאה מהתעוררות, אפשר יהיה להפוך את תהליך השבירה ליעיל ובררני יותר באמצעות הבזקי לייזר. התובנות החדשות שהושגו במחקר זה עשויות לקדם גם את חקר החומר באטמוספירה ובסטרטוספירה, בהן נמצאות מולקולות מעוררות רבות כתוצאה מחשיפה לאור השמש.
 

זהירות, מלכודת

יעילות היא אחד המכשולים המרכזיים בפני בקרת תגובות כימיות באמצעות לייזר. אם נניח שהבקרה היא ביעילות של 50% בלבד - כלומר, רק חצי מהתוצר של התגובה הוא התוצר המבוקש - השימוש בשיטה יהיה מוגבל. המטרה היא להגיע ליעילות אופטימלית, הקרובה ככל האפשר ל-100%.
 
עד עכשיו סברו מדענים, שיעילות גבוהה כזו היא רק עניין של התמדה: אם נמשיך לשפר את הדיוק של בקרת הלייזר בשיטה מחזורית (איטרטיבית), נגיע בסופו של דבר לרמה אופטימלית של יעילות. אך כפי שפורסם ב-Physical Review Letters, פרופ' דויד טנור ושותפו למחקר, ד"ר אלכסנדר פכן, הראו באחרונה שלא כך הדבר. מתברר, שבמקרים מסוימים מגיע תהליך השיפור למבוי סתום: היעילות גדלה במשך זמן מה, אך היא נעצרת ברמה נמוכה בהרבה מ-100%. משמעות הדבר היא, שבמקרים כאלה מובילה ההתקדמות הראשונית ל"מלכודת": אי-אפשר להמשיך לשפר את היעילות, ואין ברירה אלא לעזוב את התהליך ולהתחיל את הכל מחדש מנקודת פתיחה אחרת.
 
הבשורות הרעות הן, שהמלכודות שהתגלו באחרונה עלולות להקשות על ההתקרבות לאופטימליות. הבשורות הטובות הן, שמודעות למלכודות יכולה לעזור למדענים להתחמק מהן, למשל על-ידי החמרת הקריטריונים לפרמטרים ההתחלתיים של התהליך המחזורי.
 

יהדות חופשית

פרופ' דוד טנור. בשם היעילות פרופ' דויד טנור הוא אחד מהמייסדים והמובילים של פרויקט התחדשות יהודית ברחובות. הפרויקט מספק מסגרת לאנשים המעוניינים ביהדות אך לא רוצים לעבור לשם כך דרך בית-כנסת, למי שמחפשים דרך אינטלקטואלית לגלות את היהדות ואת החוכמה של המסורת וחז"ל.
 
הפרויקט פועל כבר שש שנים, והוא מציע פעילויות שונות, החל מלימוד המקורות בחברותא, ועד כנסי "יום כיפור לכולם" עם מחזורים מיוחדים והסברים, שבהם משתתפים כ-400 מתושבי האיזור. הפעילויות, שכוללות גם לימוד בליל שבועות, בתשעה באב, ועוד, מתבצעות במקום נייטרלי, ברוח פתוחה ופלורליסטית. הפרויקט הוביל לפני שנתיים להקמת קהילת "פסיפס", קבוצה של דתיים ושאינם דתיים, אשר מחפשים זיקה עמוקה יותר לשורשיהם היהודיים.
 
 
פרופ' דוד טנור. בשם היעילות
חלל ופיסיקה
עברית

אפל אבל פחות

עברית

מדענים ממכון ויצמן למדע השתתפו בפיתוח שיטה שאולי תסייע במדידת חומר אפל

צוות מדענים בין-לאומי, ובהם מדענים ממכון ויצמן למדע, הודיע באחרונה כי הצליחו להשיג את הרגישות הרבה ביותר עד כה בחיפוש אחר חלקיקי החומר האפל, שלפי תיאוריה רווחת, מהווים יותר מ- 80% מהחומר ביקום. המדענים לא הצליחו למצוא עדות לקיומו של חומר אפל, אבל הניסוי שביצעו הראה כי עלה בידם לפתח דרך לביצוע מדידה רגישה במיוחד, שתוכל למדוד בעתיד חלקיקי חומר אפל - אם הם אכן קיימים. בניסוי משתתפים כ-60 מדענים מ-14 מוסדות מחקר ב-9 מדינות, ובהם פרופ' עילם גרוס, פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עמוס ברסקין, ותלמיד המחקר עופר ויטלס ממכון ויצמן למדע.
מימין: פרופ' עילם גרוס, פרופ' עמוס ברסקין, עופר ויטלס ופרופ' אהוד דוכובני. חומר אפל
לאחר 100 ימים של איסוף נתונים באמצעות גלאי המבוסס על קסנון נוזלי, הפועל בעומק האדמה במעבדת גראן סאסו (Gran Sasso) שבאיטליה, לא נמצאו כל עדויות לקיומם של חלקיקים מאסיביים בעלי אינטראקציה חלשה עם חומר. חלקיקים אלה, המכונים בקיצור WIMPs, נחשבים למועמדים מובילים להוות את החומר האפל.
 
תצפיות קוסמולוגיות רבות מצביעות בעקביות על כך, שרק 17% מהחומר ביקום הוא "חומר רגיל", כפי שאנו מכירים אותו. יתר 83% עשויים מחומר שאינו פולט אור, כך שאיננו יכולים לראותו - אם כי כבידתו משפיעה על סביבתו. עובדה זו מתיישבת במידה מסוימת עם חיזויים הקשורים בפיסיקה של "עולם החלקיקים הזעירים", שכן הרחבה הכרחית של המודל הסטנדרטי - התיאוריה המקובלת בפיסיקה של חלקיקים - מובילה לתחזית שלפיה חלקיקים אקזוטיים וחדשים אכן קיימים, וחלקיקים אלה הם מועמדים מושלמים למלא את תפקידו של החומר האפל.
 
החיפוש אחר חלקיקי WIMPs מונע, אם כן, הן על-ידי מחקר בתחום הקוסמולוגיה, והן על-ידי מחקרים בפיסיקה של חלקיקים. רמז נוסף לקיומם מגיע מהעובדה שחישוב השכיחות שלהם מאז ימי המפץ הגדול תואם את הכמות החזויה של החומר האפל. מאחורי מחקר חלקיקי ה-WIMPs, והרצון לזהות אותם באופן ישיר, ניצבת השאיפה להשלים פיסה מרכזית החסרה בתמונת היקום שלנו.
 
טבעו ותכונותיו של החומר האפל נחקרים באמצעות מיגוון גישות ושיטות המספקות עדויות עקיפות בלבד. על פי החיזוי, מאסתם של חלקיקי ה-WIMPs דומה לזו של גרעיני האטומים, אבל הסיכוי שהם יתנגשו בגרעיני האטומים של חומר רגיל הוא זעום. לכן, קשה מאוד לגלותם. לפי תפיסה אחת, חלקיקים אלה יוצרים ענן עצום סביב הגבולות הנראים של הגלקסיה שלנו, וכדור-הארץ, יחד עם השמש, חוצים את הענן הזה במסעם דרך הגלקסיה. כך נוצרת "רוח של חלקיקי WIMP", אשר עשויה, מפעם לפעם, לפזר גרעיני אטומים בגלאים הממוקמים על כדור-הארץ, ולהשאיר כמויות קטנטנות של אנרגיה, אותה אפשר לזהות באמצעות מיכשור רגיש ביותר.
 
בניסוי ה-XENON100 משמשים 62 ק"ג של קסנון נוזלי כמעין מטרה לפגיעת חלקיקי WIMPs. הנוזל, בטמפרטורה של 90 מעלות צלסיוס מתחת לאפס, מצוי במיכל של פלדת אל-חלד המצויד במערכת קירור אשר שומרת על תנאים קבועים. הניסוי ממוקם במעבדה התת-קרקעית מתחת להר גראן סאסו באיטליה, שם מגינה שכבת סלע בעובי 1,400 מטר על הגלאי מפני קרינת רקע קוסמית רדיואקטיבית. שכבות של חומרים בולעי קרינה - אקטיביים ופסיביים - המקיפים את הגלאי, מקנים לו הגנה נוספת. אלה כוללים 100 ק"ג של קסנון נוזלי פעיל הפולט הבזקי אור כאשר פוגעת בו קרינה רדיואקטיבית; כשתי טונות נחושת טהורה, 1.6 טונה פוליאתילן וכ-34 טונות של עופרת ומים. רכיבי הגלאי עשויים מחומרים טהורים, במטרה ליצור סביבה נקייה ככל האפשר מרעשי רקע.
 
חלקיקים המקיימים אינטראקציות עם החומר שבמיכל הקסנון הנוזלי מעוררים ומייננים את אטומי הקסנון, וכך גורמים לפליטה מיידית של אור מהבהב בתחום האולטרה-סגול. פליטה נוספת של אור מתרחשת בשלב מאוחר יותר, כתוצאה ממעברם של האלקטרונים המיוננים אשר חוצים את שכבות הנוזל. כאשר מגיעים אלקטרונים אלה לפני השטח, בו יש מעבר ממצב צבירה נוזלי לגזי, הם מואצים לתוך הגז ופולטים קרינה באורך גל זהה - 178 ננו-מטר. שני האותות, המיידי והמושהה, נקלטים על-ידי שתי מערכות גלאים, שאחת מהן ממוקמת בתחתית הנוזל, והשנייה בגז שמעליו. מדידתם של שני האותות בעת ובעונה אחת מאפשרת לפענח את רמת האנרגיה ואת המיקום המרחבי בהם התרחשה ההתנגשות, ולספק מידע על טבעה. היחס בין שני האותות והמיקום המדויק מאפשרים, בדרגת ודאות גבוהה, להבחין בין אותות שמקורם בחלקיקי WIMPs לבין רעשי רקע.
 
תוצאות שהתקבלו מניתוח נתונים שנאספו במשך כ-11 ימים, במהלך תקופת ההרצה של הניסוי באוקטובר ובנובמבר 2009, הובילו לקביעת סף עליון חדש לשיעור האינטראקציות של חלקיקי WIMPs - שיא עולמי מבחינת רמת הדיוק עבור חלקיקי WIMPs שמאסתם אינה עולה על זו של 80 פרוטונים. ממצאים אלה התפרסמו בשנת 2010 בכתב העת Physical Review Letters.
 
מחקר נוסף, שמטרתו למצוא את החומר האפל, התבצע במשך 100 ימים בין ינואר ליוני 2010, כאשר הנתונים נאספו באופן "עיוור", מבלי לכוון את החיפוש לטווח הרצוי. לאחר חשיפת הנתונים הרלבנטיים התגלו שלושה אירועים (התנגשויות) בטווח בו צפויות התנגשויות של חלקיקי WIMPs. התוצאות נמצאות בטווח הטעות הסטטיסטית של שני אירועים צפויים, שמקורם בקרינת רקע רדיואקטיבית. לכן, אין לטעון כי התגלו עדויות להימצאות חומר אפל, אבל לעומת זאת, נקבע סף עליון למידת העוצמה של האינטראקציות בין חלקיקי WIMPs לבין חומר רגיל. תוצאות אלה מספקות את התחום המדויק ביותר הידוע עד כה להימצאותו של החומר האפל, ומצמצמות את הטווח שחזו תיאוריות הסופר-סימטריה של פיסיקה של חלקיקים, המתייחסות לחומר האפל.
 
פרופ' גרוס: "בניסוי ה-XENON100 הופחתו רעשי הרקע במידה הגדולה יותר מכל ניסוי אחר ברחבי העולם, שניסהלהתחקות אחר החומר האפל. רעשי הרקע הפנימיים של המערכת, שמקורם בכמויות זעומות של קריפטון רדיואקטיבי המעורבבות באופן טבעי בקסנון, הופחתו בהצלחה חסרת תקדים, וביצועי הגלאי הלכו והשתפרו כתוצאה מניסוי וטעייה במהלך הפעלתו". בעוד הנתונים הולכים ונאספים, מתכוננים המדענים לדור הבא של הניסויים: גלאי ה-XENON1T יכיל 1,000 ק"ג של קסנון נוזלי כמטרה להתנגשויות של חלקיקי WIMPs באופן שיגביר את רגישותו פי 100, תוך צמצום נוסף של רעשי רקע.
 
במחקר הנוכחי השתתפו מדענים מ-14 מוסדות מחקר, מארה"ב (אוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, אוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, אוניברסיטת רייס ביוסטון); מסין (אוניברסיטת ג'ייאו טונג בשנחאי); מצרפת (סובטק נאנט); מגרמניה (מכון מקס-פלנק בהיידלברג, אוניברסיטת מיינץ, וילהלמס יוניברסיטאט מונסטר); מישראל (מכון ויצמן למדע); מאיטליה (המעבדה הלאומית של גראן סאסו, INFN, אוניברסיטת בולוניה); מהולנד (ניחף אמסטרדם); מפורטוגל( אוניברסיטת קואימברה), ומשווייץ (אוניברסיטת ציריך).
 

חלקיקים של אהבה

פרופ' עילם גרוס כותב, מלחין ומבצע שירי רוק שמשלבים תובנות פיסיקליות עם שאלות מתחומי הרגש והפילוסופיה. בימים אלה הוא עובד על אלבום חדש, ששמו (הזמני) "חלקיקים של אהבה". השמעת הבכורה של חלק משירי אלבום התקיימה במסגרת אירועי "מדע על הבר" (ראו עמוד 4 בגיליון זה).
 
הנה שני בתים מתוך השיר "סימטריה":
 
יופי מבין בקוונטים ושדות
אבל מאיפה באות כל המחשבות
מתי כבר נחקור מה זאת תודעה
מתי כבר נבין מה זאת אהבה

העולם נברא בממדים עשרה
ששה התכווצו - נותרו רק ארבעה
ככה מוכיחים שחלקיקים הם חוטים -
שלי בשלך מתלפפים ולא מרפים
 
חלל ופיסיקה
עברית

קשרים במים

עברית
 
יושבים מימין לשמאל: איליה שירמן, אייל שמעוני. עומדים מימין לשמאל: אלישע קריג, ד"ר בוריס ריבצ'ינסקי וד"ר חיים ויסמן. חלופות ירוקות
 
 
 
יש יולדות שמעדיפות ללדת במים. נראה שיש משהו, בסביבה מיימית, שמשנה במידה משמעותית את התחושות והתוצאות, ולא במקרה - בני-אדם, כמו כל יצור חי אחר, מורכבים בעיקר ממים, וחשיבותם של מים במערכות ביולוגיות ידועה היטב. גם כימיה מסוג חדש, המבוססת על יחסי גומלין בין מולקולות במים, עשוי להניב חומרים חדשניים, שהם עמידים בלחץ אבל גם מגלים גמישות - שילוב בלתי-אפשרי ברוב החומרים הנוצרים בשיטות הרגילות. ד"ר בוריס ריבצ'ינסקי וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, במחלקה לכימיה אורגנית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, יישמו באחרונה את הגישה המקורית הזאת כדי ליצור מסנן לננו-חלקיקים, שלא רק הופך את תהליך מיון החלקיקים לפי גודל לפשוט יותר, אלא גם מתפרק לצורך ניקוי ואפשר למחזר אותו בקלות. ממצאיהם התפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי Nature Nanotechnology.
 
כמעט כל החומרים השימושיים המיוצרים כיום מבוססים על קשרים כימיים חזקים ובלתי-הפיכים, הקרויים קשרים קוולנטיים. הקשרים האלה - אותם אפשר למצוא, בין היתר, בפולימרים, אשר מהווים בסיס לכל החומרים הפלסטיים - מעניקים לחומרים חוזק, אבל במצבים רגילים אין להם יכולת להשתנות בקלות: ייצורם מחייב עיבוד מורכב, וקשה למחזרם. בניגוד למצב הזה, מערכות הקרויות "סופרה-מולקולריות" מתחברות באמצעות יחסי גומלין שאינם קוולנטיים. מערכות סופרה-מולקולריות הן בעלות יכולת הרכבה עצמית, והן מסוגלות להתאים את עצמן - לעיתים, לדוגמה, הן מסוגלות לתקן את עצמן - ולכן פשוט לייצר אותן ולמחזר אותן. אבל, עד כה, יתרון הגמישות של המערכות האלה עלה להן בחוזק; כלומר, בחיסרון יחסי של תכונת החוזק.
 
ד"ר ריבצ'ינסקי וחברי קבוצתו, ובהם ד"ר חיים ויסמן, ותלמידי המחקר אלישע קריג ואליה שירמן, ביחד עם ד"ר אייל שמעוני מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, חוקרים את הקשרים שאינם קוולנטיים בין מולקולות, הידועים בשם "קשרים הידרופוביים". מולקולות הידרופוביות הן "שונאות מים": כאשר שמים אותן במים, הן יוצרות קשרים, בדומה לטיפות שמן שמתמזגות. ניתוח הכוחות הכימיים הפעולים בחיבורים האלה רומז על כך שהקשרים ההידרופוביים עשויים להיות חזקים, יחסית, אבל הם גם ניתנים להתאמה, ידידותיים לסביבה, וזול להפיק אותם. האם הקשרים האלה מספיק חזקים כדי להשתמש בהם בייצור חומרים חדשים, אשר יתחרו בחומרים הקיימים, בעלי הקשרים הקוולנטיים?
 
מערכות סופרה-מולקולריות הן מועמדות טובות ליישומים מיוחדים כמו מסננים לננו-חלקיקים. המסננים הקיימים - שמטרתם למיין חלקיקים אשר קוטרם אינו עולה על מספר מיליארדריות המטר - הם יקרים, מסובך להשתמש בהם, והם נסתמים ונשברים בקלות. מסנן שניתן למחזרו - כלומר, שהקשרים הכימיים שהוא יוצר עם החומר נשברים ומתחברים מחדש - יכול היה להתגבר על הבעיות האלה.
 
המדענים יצרו מולקולות בעלות מרכיב הידרופובי גדול, המיסו אותן במים, ושפכו את התמיסה על חומר מסנן סטנדרטי, בעל חורים גדולים. במקום לעבור דרך החומר המסנן, נקשרו המולקולות ויצרו רשת תלת-ממדית, מחוררת בחורים אחידים בגודל מספר ננו-מטרים.
 
התברר, כי הרשת שיצרו משמשת מסנן מצוין לננו-חלקיקים. כשהעבירו המדענים תמיסה המכילה ננו-חלקיקי זהב דרך הרשת, התקדמו רק החלקיקים הקטנים מחמישה ננו-מטרים (שהוא סף קריטי עבור יישומים רבים) מעבר לקרום הסופרה-מולקולרי. כאשר המיסו המדענים את הקשרים ההידרופוביים באמצעות אתנול, אפשר היה לאסוף את הננו-חלקיקים ולהשתמש במסנן שנית. המדענים חזרו על התהליך שוב ושוב, וגילו כי אפשר להמיס וליצור את רשת המסנן מספר רב של פעמים, ללא כל פגיעה ביעילותו וביכולותיו.
 
 
בהמשך ביקשו המדענים לבדוק האם הרשת יכולה להיות בררנית ומדויקת יותר במיון החלקיקים. לשם כך הם יצרו מבנה תלת-ממדי עבה מעט יותר. אחרי שהעבירו את תמיסת הננו-חלקיקים דרכו, הם בדקו את הרשת מתחת למיקרוסקופ אלקטרונים. כפי שציפו, החלקיקים הקטנים יותר חדרו עמוק יותר לתוך החומר, בעוד שהחלקיקים הגדולים "נתקעו" קרוב יותר לפני השטח - באופן שאיפשר להפריד בין המידות השונות בקלות.
 
ד"ר ריבצ'ינסקי סבור, כי לאחר שיכלול ומחקר נוספים עשויות הרשתות לסינון ננו-חלקיקים להיות חלופות יעילות וירוקות לשיטות שבשימוש כיום. ייתכן שהשיטה יכולה לשמש גם למיון מולקולות ביולוגיות כמו חלבונים ודי-אן-אי. "השיטה הזאת עשויה להיות כלי זול וקל לשימוש, כמעט ללא בזבוז של חומר. אבל הדבר הכי טוב הוא, שהצגנו יישום חדש לגמרי לקשרים שאינם קוולנטיים: הראינו כי הם יכולים להיות חזקים והפיכים בעת ובעונה אחת, ולהוות בסיס טוב לחומרים חדשים, יעילים וירוקים יותר מחומרים קיימים".
 
חברת "ידע", המקדמת יישומים תעשייתיים על-בסיס המצאות של מדעני מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לרישום פטנט על הרשתות האלה.
 

בשבח הרציונליותתולדות הפילוסופיה המערבית

בזמנו הפנוי נוהג בוריס ריבצ'ינסקי לקרוא ספרי עיון היסטוריים, ואחד הספרים האהובים עליו ביותר, אליו הוא חוזר שוב ושוב, הוא "תולדות הפילוסופיה המערבית" (A History of Western Philosophy) של הפילוסוף והמתמטיקאי ברטרנד ראסל. "זהו ספר חשוב ומעניין, שלצד סקירה היסטורית - העוקבת אחר התפתחות המחשבה המערבית - מתאר זו מול זו השקפת עולם רציונלית מול השקפה לא-רציונלית. זהו ספר אקטואלי עבור כל מדען. הסופר בורחס אמר כי זהו הספר היחיד שהיה שוקל לקחת איתו לאי בודד, ואני ממליץ עליו מאוד".
 
 
 
יושבים מימין לשמאל: איליה שירמן, אייל שמעוני. עומדים מימין לשמאל: אלישע קריג, ד"ר בוריס ריבצ'ינסקי וד"ר חיים ויסמן. חלופות ירוקות
כימיה
עברית

עמודים