מהחלקיקים היסודיים ועד מעבר לכוכבים

פרויקט הדגל 'אל קצה היקום'

english

כתבות

תאריך: 9 נובמבר, 2020

הבנת היקום היא אתגר-העל האולטימטיבי. החל מהחלקיקים התת-אטומיים, דרך הגלקסיות הגדולות ביותר ועד מהות קיומם של החלל, הזמן והחיים עצמם. איך הכול התחיל, ואיך אירועים קדומים עיצבו את צורתו ואת מרכיביו של היקום? אלה רק חלק מהשאלות המדעיות שכוננו את פרויקט הדגל החדש במכון ויצמן למדע – 'אל קצה היקום'.

פרויקט 'אל קצה היקום' משלב את כוחותיהם של מדעני פיסיקת החלקיקים  ושל אסטרופיסיקאים במכון ויצמן, החוקרים תופעות המתרחשות בטווחים אינפיניטיסימליים ובקני המידה העצומים ביותר. הפרויקט מהווה מסגרת אינטגרטיבית לפתרון תעלומות הקשורות לקוסמולוגיה, הענף המדעי החוקר את מקורותיו הקדומים של היקום שלנו. במקביל, הוא יציע שיטות חדשות לחקר הפיסיקה, כפי שהיא מתבטאת בשני קצות הסקאלה – מהמרחקים הקוואנטיים שבין החלקיקים התת-אטומיים, עד הטווחים הבלתי נתפסים של החלל.

לטובת הפרויקט השאפתני ייבנה בניין חדש וייעודי, שיתמוך במחקר שמטרתו להרכיב תמונה מדעית רחבה בהיקף חסר תקדים, המתארת את תהליכי התפתחות היקום מראשיתו, מסתרי החלל העמוק, מקורות החיים וחוקי הטבע הבסיסיים. היוזמה תכלול כמה מרכזי משנה, שיתמכו במגוון המחקרים הנדרשים לפיתוח שיטות וטכנולוגיות חדשות לקידום האסטרופיסיקה, פיסיקת החלקיקים והפיסיקה התאורטית הקושרת אותן יחדיו.

ההיסטוריה והמדע של הכול

לאורך ההיסטוריה, גיבשו תרבויות שונות מיתוסים לגבי בריאת ותולדות היקום. התפיסה המדעית המודרנית היא תאוריית המפץ הגדול, שמסבירה היטב את סיפור חייו של היקום ואת אופן ההתפתחות של מרכיביו השונים: מבני החומר, הקרינה, החומר האפל והאנרגיה האפלה.

לפי הסבר מקובל זה, היקום התהווה לפני כ-14 מיליארד שנים כפיצוץ אדיר בו נוצר חומר חם ודחוס במידה בלתי נתפסת – שהלך והתקרר תוך כדי התרחבות מהירה. במהלך התקררות זו, התרחש היתוך של חלקיקים תת-אטומיים, שיצרו את היסודות הכימיים הפשוטים הראשונים ובהמשך גם עננים של אטומים, שמהם נוצרו גלקסיות. בגלקסיות האלה, התגבשו ענני האטומים לכוכבים בהשפעת כוח המשיכה. החום הפנימי העצום של הכוכבים החדשים הניע תגובות גרעיניות שיצרו את כל שאר היסודות ביקום. בסופו של דבר, כוכבים שהתפוצצו פלטו יסודות שהפכו להיות אבני הבניין של פלנטות, של ירחים ושל כל צורות החיים האורגניות – כולל בני האדם.

אולטראסאט

מבט אל שמי הלילה הוא למעשה הצצה אל העבר הרחוק. כשאנו קולטים קרינה מהתנגשויות והתפוצצויות של כוכבים, אנו מתבוננים בעדויות רגעיות לאירועים שמימיים שהתרחשו לפני מיליארדי שנים. אחד הרכיבים המרכזיים בפרויקט הדגל 'אל קצה היקום' הוא אולטראסאט – ניהול הפיסיקאים פרופ' אלי וקסמן ופרופ' אבישי גל-ים ממכון ויצמן. מטרתו היא לצלם ולחקור את המידע המקודד באירועים קוסמיים המופיעים ונעלמים בשמי הלילה. פרויקט אולטראסאט יעזור לנו להבין את בעיות יסוד לגבי מרכיבי היקום וכוחות הטבע ויציב את ישראל בחזית העולמית של המחקר והחדשנות באסטרופיסיקה.

אולטראסאט מתוכנן כלוויין קטן בעלות נמוכה יחסית. יותקן בו טלסקופ שיתמקד במחקר של קרינה אולטרה סגולה (UV), תוך שהוא מכסה י שדה ראייה חסר תקדים ברוחבו. הטלסקופ יתוכנת לשדר את הנתונים שהוא אוסף לקרקע בזמן אמת, ובכך לאפשר להשתמש בטלסקופים הגדולים ביותר שעל פני כדור הארץ למחקר מקורות קרינה חדשים, מייד כשיאותרו.

אולטראסאט יוכל לזהות ולמדוד את פליטות ה-UV מהתפוצצויות כוכבים ומתופעות אחרות דקות אחרי שהן קורות במקום ימים ושבועות – כפי שקורה במערכות הטלסקופים הקיימות. התצפיות הרצופות מהחלל, ללא השפעת מחזור יום-לילה ומזג אוויר, מאפשרות להשיג קצב גילוי מהיר פי 300 מקצב הגילוי של אירועים שמימיים כיום.

ניתוח הנתונים מאולטראסאט יעזור לענות על כמה מהשאלות החשובות ביותר באסטרופיסיקה: כיצד כוכבים מתמזגים ופולטים גלי כבידה? מהי השפעתם של חורים שחורים על-מסיביים על מרקם החלל? איך כוכבים מתפוצצים? מהם מקורותיהם של היסודות הכבדים? באיזו מהירות היקום מתרחב? סביב אילו כוכבים יתכן שיש פלנטות עליהן יכולים להתקיים חיים?

טקס ההשקה הרשמי של הפרויקט נערך בקמפוס המכון לרגל החתימה על הסכם בין מכון ויצמן, סוכנות החלל הישראלית ואיגוד מרכזי המחקר הגרמני הלמהולץ. תמיכה נוספת צפויה להגיע מסוכנות החלל האירופית וכן מ-NASA, שכבר הסכימה לעזור בשיגור הלוויין, המתוכנן ל-2024.

תוספת לארגז הכלים של האסטרופיסיקה

אסטרופיסיקאים במכון ויצמן מפתחים שיטות וטכנולוגיות חדשות שיתרמו לשיפור הבנתנו את החלל. אחד מהם הוא ד"ר שגיא בן-עמי, שמפתח שיטה חדשה לזהות בפלנטות מחוץ למערכת השמש "חתימות ביולוגיות" – חומרים שהם סימן אפשרי לחיים שהתקיימו בעבר או בהווה בכוכבי לכת מרוחקים. במסגרת מחקרו, הוא מתכוון למפות ולנטר כ-200,000 כוכבים ולאתר ביניהם את רשימת הכוכבים שסביבם עשויות לחוג פלנטות עם אטמוספרה שמסוגלת לקיים חיים.

פרופ' ערן אופק, חוקר מרכזי נוסף בצוות אולטראסאט, עוסק בחדשנות טכנולוגית ואחראי על בנייתו של סוג חדש של טלסקופ שמסוגל לצלם את "התעמעמות" האור המתרחשת כשכוכב שביט חולף בין כדור הארץ לכוכב מרוחק. פיתוחים כאלה ופיתוחים דומים אחרים יעזרו לחוקרי מכון ויצמן למלא חורים בתמונה הגדולה של היקום.

מובילים ב-ATLAS

מאיץ החלקיקים הבינלאומי LHC במרכז המחקר האירופי CERN שעל הגבול בין צרפת לשוויץ, הוא מאיץ החלקיקים רב הועצמה ביותר בעולם. המאיץ מותקן בעומק של מאה מטרים מתחת לאדמה במנהרה מעגלית באורך 27 ק"מ. משימתו פשוטה ועם זאת מעורפלת: להרחיב את המודל הסטנדרטי של הפיסיקה – התאוריה הטובה ביותר שיש בידינו עד כה לתיאור אבני הבניין הבסיסיות של היקום.

ATLAS הוא אחד מארבעת הניסויים החשובים במאיץ ה-LHC. זהו שיתוף פעולה בינלאומי, וחוקרי מכון ויצמן בולטים בין המדענים המובילים אותו. גלאי החלקיקים ב-ATLAS שוקל 7,000 טון, והוא הגלאי הגדול ביותר שנבנה בשביל מאיץ חלקיקים. הוא מיועד לזיהוי ותיעוד המסלול, המומנטום והאנרגיה של החלקיקים המתנגשים. יותר מ-40 מיליון התנגשויות מתרחשות בגלאי ATLAS בכל שנייה ויוצרות כמויות עצומות של נתונים, המנותחים ב-130 מרכזי מחשוב ברחבי העולם.

חברי סגל מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן – ד"ר שקמה ברסלר, פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עילם גרוס וד"ר נועם טל הוד – משתתפים בתכנון, בבנייה, בניהול ובתפעול של תת המערכת הגדולה ביותר של גלאי ATLAS, שנבנתה בקמפוס ויצמן. חוקרי המכון גם תרמו תרומה משמעותית לגילוי הדרמטי ביותר של CERN עד היום: חתיכה חסרה בפאזל החלקיקים שאת קיומה ניבאו לפני עשורים – חלקיק בשם 'בוזון היגס'. חלקיק יסוד זה מאשר את קיומו של 'שדה היגס' – שדה כוח שנמצא בכל מקום ביקום ומסביר למה לחלקיקים מסוימים יש מסה ולאחרים אין.

גלאים חדשים לחקר הפיסיקה של חלקיקי הנייטרינו

ד"ר שקמה ברסלר, חברה בצוות ATLAS, פיתחה טכנולוגיות לניסויים עתידיים בפיסיקת חלקיקים. לאחרונה, פיתחה מכשיר חדש שעשוי לשפר את האופן שבו גלאים במאיצי חלקיקים מזהים חלקיקי נייטרינו – סוג של חלקיקים תת-אטומיים חסרי מסה כמעט, שהאינטראקציות שלהם עם חומר רגיל הן נדירות. ייתכן שהמכשיר של ד"ר ברסלר ייתן מענה לשאלות לא פתורות במחקר העולם הקוונטי.

התפתחות זו והתפתחויות טכנולוגיות אחרות שמקורן במעבדות מכון ויצמן עשויות לעזור לפיסיקאי החלקיקים לגלות את החוקים לפיהם חלקיקים משתלבים ויוצרים את כל מה שאנחנו מכירים. במסגרת פרויקט הדגל 'עד קצה היקום', שיתוף הפעולה בין חוקרים בתחום זה עם אסטרופיסיקאים יניב תוצאות מעניינות שיציגו תמונה חדשה של התהליכים המתרחשים היקום, בכל קני המידה.

התאוריה מפלסת את הדרך

העלות של משימות חלל ומאיצי חלקיקים היא גבוהה מאוד. בפיסיקה תאורטית, לעומת זאת, אפשר להגיע להישגים דרמטיים אם רק מקבצים את מיטב המוחות לשיחה על כוס קפה. זה בדיוק "המודל העסקי" של מכון שוורץ/רייסמן לפיסיקה תאורטית (SRitp) שישלים את פרויקט הדגל 'אל קצה היקום'.

SRitp נוסד בתרומתם הנדיבה של ג'רלד שוורץ והת'ר רייסמן מטורונטו, כדי למלא שלוש משימות: להציג את העבודה יוצאת הדופן שנעשית במכון בתחום הפיסיקה התאורטית, למשוך תאורטיקנים מובילים בעולם אל הקמפוס, וליצור חיבורים אישיים שיכולים להוביל לשיתוף פעולה בינלאומי פורה.

SRitp מקיים סדנאות העוסקות בשאלות חדשות שמתעוררות, כולל התכנסויות שנערכו לאחרונה בנושאי פיסיקה קוונטית, מכניקת הזורמים, פולסים קצרצרים של קרינת רדיו מעומק החלל המכונים FRB(Fast Radio Bursts), חורים שחורים, למידת מכונה ואפילו מגדר בפיסיקה. יהיה הנושא אשר יהיה, דיונים מסוג זה עוזרים לגשר על פערים בין השקפות עולם מדעיות ומקרבים אותנו להבנה מקיפה של חוקי הפיסיקה בעולם.

Architectural designs by MYS Architects

Architectural designs by MYS Architects