מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
אמנויות
מוח
הנדסה וטכנולוגיה
חברה
מדעים מדויקים
ניהול ומשפט
סביבה
רוח
רפואה ומדעי החיים

מחקר

07.06.2022
החללית Gaia זיהתה לראשונה שני כוכבי לכת חדשים

שני כוכבי הלכת הענקיים דומים בגודלם לכוכב הלכת צדק שבמערכת השמש שלנו, ומשלימים הקפה סביב השמש שלהם בפחות מארבעה ימים

  • מדעים מדויקים

תגלית חדשה בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב: החללית Gaia של סוכנות החלל האירופית ESA זיהתה לאחרונה שני כוכבי לכת חדשים במערכות שמש רחוקות. זוהי הפעם הראשונה ש- Gaia מצליחה לאתר כוכבי לכת חדשים ולכן קיבלו כוכבי הלכת את השמות Gaia-1b ו-Gaia-2b.

 

המחקר נערך בהובלת פרופ' שי צוקר, ראש ביה"ס לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר, והדוקטורנט אביעד פנחי מביה"ס לפיזיקה ואסטרונומיה. המחקר שנערך בשיתוף סוכנות החלל האירופית וקבוצת המחקר של טלסקופ החלל Gaia פורסם בכתב העת המדעי Astronomy & Astrophysics.

 

בין השמשות

במערכת השמש שלנו יש שמונה כוכבי לכת – כדורים ענקיים שמקיפים את השמש בתנועה מחזורית. פחות מוכרים הם מאות מיליארדי כוכבי לכת נוספים בגלקסיה שלנו, גלקסיית שביל החלב, שמכילה כמויות בלתי נתפשות של מערכות שמש. כוכבי לכת במערכות שמש רחוקות התגלו לראשונה ב-1995 ומאז הם מושא מחקר תמידי של אסטרונומים, בתקווה ללמוד בעזרתם עוד על מערכת השמש שלנו.

 

אביעד פנחי מפרט: "כוכבי הלכת התגלו בזכות העובדה שהם מסתירים חלקית את השמשות שלהם בכל פעם שהם משלימים הקפה, וגורמים לירידה מחזורית בעוצמת האור שמגיע אלינו מאותה שמש רחוקה. כדי לוודא שאכן מדובר בכוכבי לכת,  ביצענו מדידות מעקב בטלסקופ אמריקאי בשם The Large Binocular Telescope הממוקם באריזונה. טלסקופ זה מצויד בשתי מראות ענק שהקוטר של כל אחת מהן הוא 8.4 מטרים, והופכות אותו לאחד מהטלסקופים הגדולים בעולם כיום. באמצעות טלסקופ זה ניתן לעקוב אחר תנודות קטנות של הכוכב הנגרמות עקב הימצאות כוכב לכת סביבו."

 

הגלקסיה בתלת מימד

Gaia היא חללית של סוכנות החלל האירופית ESA, שמטרתה העיקרית היא מיפוי תלת-ממדי של מבנה הגלקסיה שלנו, גלקסיית שביל החלב, בדיוק חסר תקדים. לצורך משימה זו, Gaia סורקת את השמיים תוך כדי שהיא מסתובבת סביב צירה, ועוקבת אחר מיקומם של כ-2 מיליארד שמשות בגלקסיה שלנו, עם דיוק שמגיע למיליוניות המעלה. לשם המחשה, דיוק כזה שקול ליכולת לזהות מכדור הארץ מטבע של 10 ₪ שנמצא על הירח. במהלך המעקב אחר מיקומי השמשות, Gaia גם מודדת את בהירותן – תכונה חשובה מאין כמותה באסטרונומיה תצפיתית, שכן ניתן ללמוד ממנה רבות על המאפיינים הפיזיים של גופים שמיימים. השינויים שתועדו בבהירות של שתי שמשות רחוקות הם אלה שהובילו לגילוי.

 

לפרופ' צוקר ניסיון רב בגילוי כוכבי לכת עוד מהימים שבהם היה תלמידו של האסטרונום הוותיק פרופ' צבי מזא"ה. הוא מספר: "המדידות שביצענו ע"י הטלסקופ בארה"ב איששו שמדובר בשני כוכבי לכת ענקיים, הדומים בגודלם לכוכב הלכת צדק שבמערכת השמש שלנו, ונמצאים כל כך קרוב לשמשות שלהם כך שהם משלימים הקפה בפחות מארבעה ימים, כלומר כל שנה על כדור הארץ שקולה ל-90 שנים של אותו כוכב לכת. הגילוי התאפשר בעקבות חיפושים דקדקניים ותוך שימוש בשיטות של בינה מלאכותית, וכך נמצאו שני כוכבי הלכת החדשים. בקרוב נפרסם עוד כ-40 מועמדים נוספים. הנתונים ממשיכים להצטבר, וסביר מאוד ש-Gaia תגלה עוד פלנטות רבות בשיטה זו בהמשך."

 

מהפכה בעולם האסטרונומיה

תגלית זו מהווה אבן דרך נוספת בתרומה המדעית של משימת החלל Gaia, שכבר רושמת לזכותה מהפכה של ממש בעולם האסטרונומיה. היכולת של Gaia לגלות כוכבי לכת בשיטת ההסתרה החלקית, שמצריכה בדרך כלל ניטור רציף למשך זמן רב, הייתה עד כה מוטלת בספק. צוות החוקרים, עליו הוטלה משימה זו, פיתח אלגוריתם המותאם במיוחד לתכונותיה של Gaia ובמשך שנים חיפשו אחר אותות אלה במאגרי המידע המצטבר מהחללית.

 

ומה לגבי האפשרות לקיים חיים על פני אותם כוכבי לכת רחוקים וחדשים? אביעד פנחי מסכם: "כאמור, כוכבי הלכת החדשים קרובים מאוד לשמשות שלהם ולכן הטמפרטורה בהם גבוהה ביותר, סביב אלף מעלות צלזיוס, כך שהסיכוי שחיים התפתחו שם הוא אפסי. כוכב לכת מסוג זה נקרא בקהילה האסטרונומית 'צדק חם' (Hot Jupiter) – 'צדק' בזכות גודלו, ו'חם' בזכות קרבתו לשמש שלו. אמנם בכוכבי הלכת שמצאנו אין ממש סיכוי לחיים, אבל אני משוכנע שישנם אינספור אחרים שיש בהם חיים, וסביר להניח שכבר בשנים הקרובות נגלה סימנים למולקולות אורגניות באטמוספירות של כוכבי לכת רחוקים. כנראה שלא נזכה לבקר באותם עולמות רחוקים בזמן הקרוב, אבל אנחנו רק בתחילת הדרך, ומרגש מאוד להיות חלק מהחיפוש."

מחקר

25.04.2022
להרגיש את תל אביב מלמטה

מה קורה מתחת לאספלט של העיר ללא הפסקה?

 

  • מדעים מדויקים

תל אביב היא עיר עם כחצי מיליון תושבים ועוד כמה מאות אלפים שמגיעים אליה כל יום לעבודה, בילויים ומסחר. כך שאפשר לומר שהאספלט אצלנו צפוף רוב הזמן. אבל מה קורה מתחת למדרכות, לשבילי האופניים ולכבישים? ולמה אנחנו חייבים להתעניין בזה? זה בדיוק מה שצוות חוקרים מבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר ומבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן הגיעו כדי להסביר לנו.

 

WAZE סיסמי

ד"ר אריאל ללוש מהחוג לגיאופיזיקה בבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ, עוסק בדרך כלל בחקר רעידות אדמה ובהדמיה של תת הקרקע. במחקרים שלו בארץ ובעולם הוא מאזין לרעידות שמקורן עמוק מתחת לפני הקרקע, דרך גלים סיסמיים שמתפשטים בתווך התת-קרקעי ונקלטים בחיישנים מיוחדים. אבל במחקר שהוביל ביחד עם חן כהן, דוקטורנט להנדסת חשמל מהפקולטה להנדסה, שמתמחה בעולמות האופטיקה ובלמידת מכונה, ורועי מזוז ועוז מתוקי, סטודנטים לתואר ראשון בהנדסת חשמל ופיזיקה, הוא ביקש דווקא לבדוק כיצד ניתן לקבל נתונים מדויקים על מה שקורה בכבישים ובמדרכות של תל אביב באופן פשוט וזול, כדי לשפר את האופן שבו מתוכננת העיר ואולי אפילו למנוע תאונות ולצמצם פגיעות אפשריות מרעידות אדמה. המחקר מסתמך על למידת מכונה וחישה סיסמית באמצעות סיבים אופטיים שמוטמנים מתחת לאדמה וקולטים, בין השאר, גם את תנועת הרכבים והולכי הרגל מעליהם. מסתבר שזה אפשרי ואפילו מאפשר לעקוב אחרי תנועת רכבים בכל העיר ולנטר את האזורים שמועדים לפורענות במקרה של רעידת אדמה.

 

ביחד עם שותפיו לפרויקט, יצר אריאל קשר עם מנהל מחלקת ההטמעה במערכות מיחשוב בעיריית תל אביב, מר אבי חדד, והסביר לו מה הוא רוצה לעשות: לתת לעירייה כלי לתכנון עירוני חכם. בעירייה נדלקו כל הפנסים. הפיילוט אושר עם בקשה: צרו לנו בבקשה WAZE סיסמי שיעזור לנו, עד כמה שאפשר, לקבל תמונה מלאה של מצב הפקקים בעיר.

 

חוקרים את תל אביב מלמטה. מימין: עוז מתוקי, חן כהן, ד"ר אריאל ללוש ורועי מזוז

 

מידע אנונימי וזול

דרך חדר התקשורת של העירייה התחברו החוקרים לסיב באורך של כקילומטר, שהוטמן בעומק של כמטר מתחת לפני הקרקע. למזלם, הם לא היו צריכים להתלכלך ולהניח את הסיבים בעצמם - הם 'תפסו טרמפ' על סיבים שקיימים בשטח ולא נמצאים בינתיים בשימוש. "כשאנחנו אומרים 'להתחבר לסיב', אנחנו בסך הכול צריכים את הקצה שלו, כלומר שאם יש חדר בקרה שממנו יוצאים כל הסיבים - מספיק לנו להיות שם", מסביר עוז.

 

באמצעות דוגם אופטי מיוחד, שאותו חיברו לארון התקשורת, נשלחים פולסים של לייזר בצורה מתוכננת לתוך הסיב. הדוגם יודע לנתח את ההחזרים של הלייזר ולתרגם אותם לאופן שבו הסיב רועד.

 

אבל למה בכלל צריך את זה? הרי יש מצלמות ו-Waze. "התשובה מורכבת", אומר ד"ר ללוש. "החשיבות הגדולה ביותר של השימוש בנתונים שלנו היא שהסיב נותן מידע שלם ואנונימי. כלומר, לא צריך מצלמה שחושפת את לוחית הזיהוי של הרכב ופני הנהג, ולא צריך לשתף את המיקום שלנו עם גוגל ו-Waze. מצד שני, תמיד אפשר לראות את המיקום של הרכב. אם אסע למשל בלי להדליק את ה-Waze - אף אחד לא יידע שנסעתי, ואז יכול להיות שיש מידע שמתעלמים ממנו, בעוד שהשימוש בסיב מאפשר לי להגיע לשלמות המידע. נוכל לדעת שעכשיו נסעו רכב פרטי ומשאית ואופנוע אבל לא נצטרך לחשוף בדרך את המידע האישי של הנהגים שחלפו עכשיו ליד הדליקטסן באבן גבירול".

 

מי חלף ובאיזו מהירות ליד הדליקטסן? הקלטה של כ-8 דקות על הציר בין עיריית תל אביב ומגדל המאה בשעה שקטה יחסית. הציר האנכי הוא מיקום, הציר הרוחבי - זמן. כל כלי רכב שנוסע הוא קו משופע, כאשר מהירות הנסיעה נתונה על ידי השיפוע עצמו. האלכסונים עם שיפוע שיורד משמאל לימין הם רכבים שנוסעים דרומה ולהיפך.

 

"אנחנו רוצים להוציא מידע סטטיסטי על דברים פשוטים שהעירייה מתעניינת בהם, כמו כמה פעמים רכבים נוסעים במהירות מופרזת או באיזה נתיבים", מוסיף רועי.

 

בנוסף, ד"ר ללוש מדבר על הנושא הכספי. "עלות הצבת המצלמות ברחבי העיר מגיעה למאות אלפי שקלים למצלמה. לרוב שמים אותן בעיקר היכן שיש הצדקה כלכלית, ובגלל זה כמות המצלמות היא מוגבלת ולא מכסה את כל העיר. אני חושב שבעולם שבו יש כבר כל כך הרבה סיבים אפשר לעשות מיפוי שלם יותר של התנועה, אולי גם של רחובות קטנים בתל אביב, שדווקא בהם יש תמיד פקקים בגלל פנייה או רמזור, אבל הם לא מצולמים".

 

החיישן שרואה מעבר לפינה

עם המידע העצום שמתקבל אפשר לעשות לא מעט. "ברמת התכנון העירוני אפשר לקבל תובנות שלמות יותר. למשל, כיצד אפשר לפזר בצורה נכונה יותר צפיפות בכבישים, היכן לסלול עוד נתיבי אופניים או מדרחובים להנאת הציבור ועוד. ויש גם את נושא רעידות האדמה", אומר ד"ר ללוש. "אולי זה לא קשור באופן ישיר לרכבים, אבל אפשר לזהות אזורים שבגלל מבנה הקרקע הספציפי בהם יש סיכון מוגבר במקרה של רעידת אדמה. כלומר, אם כבר מגיעה אנרגיה סיסמית, היא פחות מרוסנת או אפילו מוגברת, ולכן יכול להיות שאזור או רחוב או אפילו בניין ספציפי יהיו יותר מועדים לפורענות".

 

לדבריו, נכון להיום, המפות שמגדירות מהו התקן של בנייה במדינת ישראל מחלקות אותה למספר אזורים בודדים לפי מידת הסכנה מרעידות אדמה, שמתחשבת בעיקר בקרבה לאזורים סיסמוגניים לאורך העתק (שבר) ים המלח. עם זאת, לא קיימת חלוקה ברמת רזולוציה גבוהה כמו זו שהמידע מהסיבים האופטיים יכול להציע.

 

ד"ר ללוש מציג פן נוסף של חשיבות המידע החדש שיוכל לעזור לנו בעתיד הרחוק יותר: "אני מאמין שבעידן הרכב האוטונומי, מידע מסיבים אופטיים יוכל להגיד לרכב 'תיזהר, מישהו עומד להיכנס לך לצומת והמצלמה שלך עדיין לא רואה את זה'. האתגרים שלנו גדולים מאוד - עיבוד כמות מידע עצומה ושידורה. אבל ברמת העיקרון אם אתה רכב שנוסע על הכביש אין לך דרך לברוח מהעובדה שיש לך משקל, וכן, אתה מעוות את הקרקע ולכן הסיב האופטי 'ישמע' את זה".

 

'תיזהר, מישהו עומד להיכנס לך לצומת והמצלמה שלך עדיין לא רואה את זה'

 

ג'ונגל של הפרעות

הניסוי נמשך כשבוע, ובמהלכו נאסף מידע באופן רציף. הצוות בנה מודל שלומד את התבניות הסיסמיות שנקלטות על ידי הסיב ויודע לספר מה קורה מבחינת תנועת הרכבים ואפילו של הולכי הרגל, ולקבל סיווג ראשוני בהתאם לסוג הרכב. ישנן גם תוצאות ראשוניות בהקשרים של זיהוי נתיב הנסיעה, מה שרלוונטי במיוחד לניטור תנועה לא רצויה בנתיבי תחבורה ציבורית. כעת עובדים החוקרים על "ניקוי וסינון" המידע על מנת לטייב את ביצועי המודל.

 

"כשעושים ניסוי בפעם הראשונה אוספים את המידע הכי צפוף וברזולוציה הכי גבוהה שאפשר. עכשיו אנחנו מבינים שהחתימה של הרכבים ושל הולכי הרגל פשוטה יחסית, ובעתיד נוכל לשנות את זה כדי להוריד את העומס באיסוף ועיבוד המידע, אומר ד"ר ללוש. "האתגר הגדול הוא ללמד את המחשב לנתח ולהפריד את הדברים, וזה הולך ומשתפר", מוסיף חן.

 

גם הם משדרים גלים סיסמיים. רוכבות ורוכבי כלי רכב דו-גלגליים בשביל אופניים תל אביבי

 

פתרון אקסקלוסיבי

במידה והפיילוט ימשיך, העירייה תוכל בעתיד לבדוק השפעות רבות ושונות בהקשר של תכנון עירוני. למשל, לדעת האם מסלולי האופניים הרבים שנסללו ברחבי העיר אכן משמשים את התושבות והתושבים, באילו רחובות מעדיפים הולכי הרגל לצעוד ובהמשך לפתח מסלולי הליכה פתוחים נוספים כדי להמשיך ולהפוך את העיר למזמינה יותר לתנועה רגלית או בלתי ממונעת.

 

"אם נראה שהתוצאות הראשוניות של המחקר הזה מוצלחות, ויש לי הרגשה שכן, בעתיד נתכנן מסלול סיב שעובר ברחובות שלעירייה חשוב לקבל עליהם יותר מידע", מסכם ד"ר ללוש. כעת מחפש הצוות סטודנטים ודוקטורנטים נוספים שמעוניינים לקחת חלק בהמשך הפרויקט. אם אתם.ן מחפשים.ות נושא לעבודת מאסטר או דוקטורנט צרו קשר עם אריאל.

מחקר

07.03.2022
החומר שיודע לזרום כמו נוזל ולהסתדר כמו מוצק

 חוקרים חוזים את קיומו של "על-מוצק" במימן כבד

  • מדעים מדויקים

כיצד חומר יכול להיות גם מוצק וגם לזרום ללא חיכוך? למעט מצבי הצבירה המוכרים לרובנו, מוצק, נוזל וגז, ישנם גם מצבי צבירה אקזוטיים ומרתקים במיוחד אשר מתקיימים רק בעקבות התכונות המשונות של חלקיקים קוונטיים. על-מוצקים הם חומרים כאלו, ויש להם שתי תכונות שנשמעות סותרות לחלוטין: מבנה בעל סדר מובנה וקבוע, וזרימה של החומר ללא חיכוך. מחקר חדש בהשתתפות חוקר מאוניברסיטת תל אביב מציג תחזית תאורטית לפיה דאוטריום, איזוטופ של מימן המהווה מרכיב במים כבדים, יכול לרכוש תכונה זו בלחצים גבוהים ביותר ובטמפרטורות נמוכות.

 

התכונה שהופכת חומר ל'על-זורם'

מתוך ממצאי המחקר עולה כי הדאוטריום, שמופיע כגז בתנאי החדר, מסוגל לשנות את מצב הצבירה ל"על-מוצק" כאשר הוא מצוי בלחץ של 8 מיליון אטמוספירות וקרוב לטמפרטורת האפס המוחלט. המחקר נערך בשיתוף פעולה בין ד"ר צ'אנג-וו מיונג מאוניברסיטת קיימברידג', פרופ' מיקלה פרינלו מהמכון האיטלקי לטכנולוגיה בג'נובה וד"ר ברק הירשברג מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

 

הקיום של על-מוצקים נחזה לפני למעלה מ-50 שנים ברמה התאורטית והצית מחלוקת עזה בקרב פיזיקאים. אולם, לפני כחמש שנים הוכח קיומו באופן חד משמעי בניסויים על אטומים קרים לכודים. החוקרים אומרים כי הבנת המנגנונים העומדים בבסיס התהליך וגילוי על-מוצקים חדשים היא נושא מחקר שתפס תאוצה רבה בשנים האחרונות, ואפילו ביתר שאת מאז התצפית הניסיונית.

 

"כדי שחומר יזרום ללא חיכוך, מה שמכונה 'על-זורם', פונקציות הגל של האטומים המרכיבים אותו צריכות לחפוף כך שלא ניתן יהיה להבחין ביניהן יותר. ואם כך, נשאלת השאלה – כיצד יתכן שישמרו על הסדר המרחבי שמאפיין מוצקים?", מסביר ד"ר הירשברג.

 

"הסיבה היא כזו: במחקר גילינו כי הלחץ הגבוה מאלץ את אטומי הדאוטריום להתקרב ולהפוך למוצק בעל תכונות של מתכת. במתכת, שהיא שם נרדף לחומר מוליך, האלקטרונים של אטומי הדאוטריום דוחים זה את זה קצת פחות מאשר בחומר מבודד, מה שמאפשר לאטומים להתקרב עוד יותר. שתי תכונות אלה יחד, מעודדות את היווצרות העל-זורם. נוסף על כך, הראינו בהדמיות מחשב כי דאוטריום הופך לעל-זורם, אך גם שומר על המבנה הגבישי שלו באותה העת, וכך מתקבל מצב הצבירה המכונה על-מוצק. מעט מאוד תחזיות לקיום של חומרים על-מוצקים פורסמו עד כה, ובפרט בחומרים מציאותיים ומוכרים כמו דאוטריום", מוסיף ד"ר הירשברג.

 

זורם כמו נוזל, מסתדר כמו מוצק. חומר על-זורם

 

למידת המכונה מתיידדת עם הכימיה

ההדמיות החישוביות שערכו החוקרים, התאפשרו באמצעות אלגוריתם חדש לתיאור מערכות קוונטיות מיוחדות שפיתח ד"ר הירשברג, במהלך שהותו כפוסט-דוקטורנט במכון הטכנולוגי הפדרלי של ציריך (ETH Zurich). בזכות אלגוריתם זה, המבוסס על תיאוריה שפיתח הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, הצליח ד"ר הירשברג להפחית בצורה דרמטית את סך החישובים הנדרש לצורך הדמיית המערכת. בנוסף, כדי לתאר את תחום הלחצים והטמפרטורות הקיצוני, עשו החוקרים שימוש בכלים מתחום למידת המכונה ובכללם רשת נוירונים מלאכותית, לתיאור יחסי הגומלין בין האטומים בחומר.

 

"השימוש בלמידת מכונה עבור הכוחות המולקולריים הוא כיוון מבטיח בכימיה חישובית. התחזית התאורטית שאנו מספקים במאמר החדש פותחת אופקים חדשים, מכיוון שתחום הלחצים והטמפרטורות הרלוונטי יוכל להיבדק בעתיד הקרוב בניסוי. מעבר לכך אנו צופים כי התובנות שהופקו מהמחקר יהיו בעלות חשיבות גם באיתור על-מוצקים בחומרים נוספים", מסכם ד"ר הירשברג.

 

ד"ר ברק הירשברג

מימין: פרופ' עדי אריה, פרופ' וולפגאנג שלייך והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן (צילום: פרופ' רם זמיר)

מחקר

27.02.2022
חושך, תתרכז רגע

חוקרים הוכיחו כי ניתן למקד חושך בדיוק כפי שניתן למקד אור

  • מדעים מדויקים

מה קורה לנו כשאנחנו נכנסים למקום חשוך מאוד? התחושה היא שהחושך עוטף אותנו ואנו מתקשות ומתקשים למקד את מבטנו בנקודה אחת. מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם אוניברסיטאות בארצות הברית ובגרמניה וכן מכון החלל הגרמני (DLR), מראה לראשונה כי ניתן "למקד חושך", כלומר לרכז גלים לנקודה אחת במרחב שבה תתקבל עוצמת אור מינימלית. זאת בצורה אנלוגית למיקוד המוכר (למשל על ידי עדשות או מראות כדוריות), שבסופו מתקבלת נקודת אור בוהקת.

 

החושך שבקצה המנהרה

גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה שמוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה במעבדתו של פרופ' עדי אריה, ממובילי המחקר החדש, ביחד עם חלק משותפיו למחקר זה, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, שמראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה, כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.

 

המחקר נערך על ידי פרופ' עדי אריה ופרופ' לב שמר מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. השתתפו בו גם חוקרים מאוניברסיטת אולם וממכון החלל הגרמני - ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך, והחוקר פרופ׳ וויליאם קייס מארה"ב. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B.

 

"מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור שעובר דרך עדשה. אנחנו ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב", מסביר הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן ומרחיב "התופעה שגילינו בניסוי, ושאותה חקרנו גם באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר מתקבלת מינימום של עוצמה, בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."

 

התאום האפל של המיקוד הבהיר

במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד.

 

"הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים", מוסיף רוזנמן.

 

רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "יצרנו במעבדתו של פרופ' לב שמר מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".

 

החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי ייתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך, אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות", מסכם רוזנמן.

 

חושך, תתרכז רגע. מתוך המחקר

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

מחקר

15.02.2022
הסדר הפיזיקלי החבוי מוכיח: גם מערבולות שומרות על "ריחוק חברתי"

המחקר הצליח למצוא סדר חבוי במערכות פיזיקליות מסתובבות "מבולגנות" לכאורה, כגון חלבונים ומערבולות

  • מדעים מדויקים

תנועת חלבונים בקרום התא (ממברנה) היא אחת הבעיות שמעסיקות פיזיקאים, כימאים וביולוגים רבים. מהעבר השני, בסקאלה הגדולה פי כמה מיליארדים, תופעות אטמוספריות ואוקיינוגרפיות שונות עומדות אף הן בעין הסערה של העיסוק הפיזיקלי. על אף שנראה כי מערכות אלה מבולגנות לחלוטין ומבוססות על תנועה אקראית וכאוטית, מחקר חדש מראה כי ישנם מבנים סדורים בתוך שתיהן, והם מתנהגים לפי אותו סט כללים פיזיקליים.

 

"במחקר החדש הראינו כי הדינמיקה של חלבונים בממברנה זהה לזו של מערבולות בזורם אידיאלי כמו למשל בתופעות מזג אוויר," מסברירה ד"ר נעמי אופנהיימר מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה. "זה מפתיע מאוד, כי התיאור הפיזיקלי של המערכות הללו בא לידי ביטוי במשוואות שונות ובקני מידה שונים. ממברנה היא נוזל מאוד צמיג, כמו דבש, כך שכוחות החיכוך בה מאוד חזקים, ואם לא ננסה להפעיל כוח באופן אקטיבי – שום דבר לא יזוז בתוכה. לעומת זאת, בזורם אידיאלי הצמיגות זניחה, כלומר כמעט שאין חיכוך והכל ממשיך לזרום לנצח בנחת, ללא הפרעות."

 

המחקר העיוני בוצע בהובלת ד"ר אופנהיימר בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בשיתוף עמית המחקר ד"ר מתן-יה בן ציון וכן חוקרים מארה"ב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications. החוקרים הגיעו למחקר החדש עם תובנות ממחקרים קודמים שביצעו, ולפיהם חלק מהחלבונים המשובצים בממברנה התאית מסתובבים, יוצרים מערבולות קטנות, מתנגשים זה בזה ולבסוף מתארגנים במבנה של משושים.

 

ד"ר אופנהיימר מרחיבה לגבי התכונה המעניינת שצצה תוך כדי המחקר: "בחנו מקרה בו יש כמות גדולה של מערבולות. התנועה של המערבולות היא כאוטית, אבל שאלנו את עצמנו האם יש בכל זאת סדר שחבוי בבלגן, גם אם אין התנגשויות בין המערבולות. מסתבר, שאף על פי שאין התנגשויות, עדיין חלות מגבלות על התפלגות המערבולות על פני השטח."

 

חוקי השימור של המערבולות

כאן, טוענים החוקרים, נכנסים למשחק חוקי שימור. בטבע ישנם מספר חוקי שימור יסודיים דוגמת שימור אנרגיה, שימור תנע ושימור מטען. הפיזיקאית היהודייה-גרמניה אמי נתר פיצחה לפני כמאה שנים את הקשר בין סימטריה לבין חוקי שימור. היא זיקקה אותו לכדי משפט בעל יופי מתמטי רב ואשר נקרא על שמה.

 

"במקרה של המערבולות", מוסיפה ד"ר אופנהיימר, "ישנם חוקי שימור גאומטריים שנובעים מהסימטריה במבנה של המערכת. חוקים אלה מכתיבים למערכת מגבלות מרחביות שונות על ההתפלגות של המערבולות – מרתק לראות שאפילו שהתנועה כאוטית ומבולגנת, מערבולות אף פעם לא מתרחקות יותר מדי אחת מהשנייה וגם לא מתקרבות יותר מדי אחת לשנייה, והדבר נובע בדיוק מחוקי השימור."

 

התכונה עליה מדברת ד"ר אופנהיימר ואשר מונעת מהמערבולות להתקרב או להתרחק האחת מהשנייה ולייצר מעין סדר לא טריוויאלי, נקראת "היפר-יוניפורמיות". תכונה זו נפוצה למדי בטבע, והיא מופיעה למשל בקולטני האור בעיניהן של ציפורים רבות, וככל הנראה עוזרת להן לראות טוב יותר.

 

ד"ר אופנהיימר מוסיפה ומסכמת: "התופעה השנייה והלא פחות מעניינת שראינו, היא שכאשר יש שני סוגי מערבולות, סוג אחד איטי וסוג שני מהיר, מתרחשת דינמיקה משונה המביאה לכך שבתום פרק זמן מסוים המערבולות האיטיות יהיו בחוץ והמהירות יהיו בפנים, מכיוון שהמערבולות המהירות כביכול 'גונבות' סדר מהמערבולות האיטיות. גם את התופעה הזו הצלחנו להסביר במונחי חוקי השימור של המערכת ושיקולים נוספים. אחת מהסוגיות החמות בפיזיקה בימינו היא השלכה ממערכות מיקרוסקופיות אל המקרוסקופיות ולהפך, כך שהמחקר שלנו יוצר בדיוק את הגשר הזה, ואני מאמינה כי יהיו מחקרי המשך רבים סביב הדינמיקה הקסומה הזו."

 

מחקר

13.02.2022
"זיכרון הצורה" – התכונה המפתיעה שמאפשרת לשלוט בשינוי הצורה של חומרים

החוקרים יצרו רשתות דו ממדיות ממיקרו-סיבים פולימריים, שמשנות את צורתן כתלות בטמפרטורה

  • מדעים מדויקים

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב גילו לראשונה שורה של תכונות פיזיקליות הקיימות ברשתות של מיקר וסיבים פולימריים, בראשן תכונת "זיכרון צורה". גילויים אלה פותחים דלת למגוון יישומים טכנולוגיים וביולוגיים, החל מהנדסת רקמות וכלה ברובוטיקה.

 

"במחקר ייצרנו רשתות דו ממדיות ממיקרו-סיבים פולימריים, שמשנות את צורתן כתלות בטמפרטורה." מסביר ד"ר עמית סיט מבית הספר לכימיה. "גילינו לראשונה כי לרשתות ישנן תכונת זיכרון צורה – תכונה מפתיעה במיוחד שלא הכרנו. בקירור הרשתות מתנפחות ויכולות לשנות את צורתן המקורית, אולם זיהינו כי לאחר חימום הרשתות, הן מסוגלות לרכוש מחדש את הצורניות המקורית שהייתה להן בטרם החימום. עקרון זה, המודגם על סוגים שונים של רשתות, מציע דרך חדשה לשלוט בשינוי הצורה של חומרים, וניכר כי אפילו שינויים מינוריים במבנה הסיבים מיתרגמים לשינוי דרמטי בהתנהגות המקרוסקופית של הרשתות."

 

הרשתות הדו ממדיות שפותחו ויוצרו במעבדתו של ד"ר סיט מבוססות על פולימר בשם PNIPAAm, והן "מודפסות" בתהליך המכונה טווייה יבשה (Dry Spinning). בתהליך זה, הסיבים נמתחים מתוך תמיסת הפולימר הנוזלית, ותוך כדי כך הם מתקשים במהירות והופכים למוצקים, כאשר נידוף מהיר של הממס מותיר את הפולימר כסיב דק. שיטה זו מאפשרת יצירה של סיבים בקוטר של מאית עובי השערה וכן ארגון שלהם באופן מסודר במרחב, בדומה להדפסה תלת ממדית.

 

את המחקר הובילו ד"ר סיט והדוקטורנטית שירן זיו שהרבני מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, והוא פורסם בעיתון היוקרתי Advance Functional Materials.

 

ד"ר סיט מוסיף: "אחת הדרכים העיקריות בהן מערכות ביולוגיות יוצרות תנועה ומייצרות כוחות היא באמצעות רשתות היררכיות שמורכבות מסיבים דקים וזעירים, ויכולות לשנות את צורתן וגודלן בהתאם לגירוי חיצוני. רשתות מעין אלו קיימות ברמת התא הבודד, ולוקחות חלק  במגוון תהליכים תאיים וגופניים. כך למשל, השרירים בגוף האדם מבוססים על רשתות של סיבים חלבוניים, שמתכווצות ומתרפות בעקבות גירוי עצבי. הצלחנו להראות כי שינוי הצורה של רשתות דו ממדיות המורכבות מסיבים פולימריים המגיבים לחום, נשלט על ידי התכונות הפיזיקליות של כל סיב. בשינוי תנאים אלה, הרשתות נוטות להציג בקירור אחד משני נתיבי התנהגות – בנתיב אחד הסיבים נותרים ישרים, והרשת משמרת את הצורניות הסדורה שלה, ובנתיב השני הסיבים מתעקמים, והרשת הופכת למבולגנת ממש כמו ספגטי. היופי הוא שתכונת זיכרון הצורה קיימת בשני נתיבי ההתנהגות הללו, ובחימום חוזרים לתצורת הרשת המקורית."

 

מודל חישובי של קפיצים ורשתות

את התוצאות המעניינות שראו ד"ר סיט וצוותו, הם הסבירו באמצעות מודל חישובי פשוט. הדוקטורנטית שירן זיו שהרבני מרחיבה בנושא: "המודל התאורטי שלנו מבוסס על הבנה בסיסית של מערכות קפיצים, שהן מערכות קלאסיות ומוכרות היטב. את שני נתיבי ההתנהגות שבהם חזינו במעבדה, הצלחנו לתאר באמצעות שינוי פרמטרים במערכת הקפיצים, והמודל סייע לנו להראות באופן חד משמעי כי מגוון גורמים גאומטריים, בעיקר קוטר הסיב אך גם הצפיפות של הרשת כולה, קשורים קשר הדוק לתכונות המקרוסקופיות של הרשת."

 

"עם היישומים של הרשתות הפולימריות", מוסיף ד"ר סיט, "ניתן להפליג אל מחוזות המדע הבדיוני, אבל ברמה הפרקטית ובעתיד הקרוב אנו מתכננים להשתמש ברשתות כדי לייצר בדים ומבנים תלת ממדים שישנו את צורתם ברזולוציה מיקרונית, באופן שיתוכנת ממש כחלק ממבנה החומר עצמו. במקביל, אנו עובדים על שימוש ברשתות משנות צורה לפיתוח של שרירים מלאכותיים קטנטנים שיוכלו לשנות פוקוס של עדשות רכות, להפריד ננו ומיקרו-חלקיקים ולהניע מלקחיים זעירים לטובת לקיחת ביופסיה של תאים בודדים."

 

זיו שהרבני מסכמת ואומרת: "עם התובנות מהמחקר שלנו אפשר לנתח ולהסיק איזה ארגז כלים נדרש לצורך פיתוחים שכאלה. המחקר ארך למעלה משלוש שנים, ולקחו בו חלק גם פרופ' אלי פלקסר מהמכללה האקדמית להנדסה אפקה בתל אביב,  וכן סטודנטים, תלמידי מחקר ואף תלמיד תיכון. אין ספק כי הידע שרכשנו במהלכו הוא חדשני ובעל פוטנציאל טכנולוגי רב."

 

מחקר

07.12.2021
האם חסה ימית תחסל את הקורונה?

תגלית אקולוגית נגד נגיף הקורונה: חומר טבעי המופק מאצה ימית מונע הידבקות של תאים בנגיף הקורונה

  • מדעים מדויקים
  • סביבה

"היום כבר ברור שהחיסון נגד קורונה, על אף יעילותו הרבה, לא יוכל לעצור את התפשטות המגפה בכל העולם," מסביר ד"ר אלכס גולברג מבית הספר לסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר. "גם במדינות מתקדמות שרוב תושביהן מחוסנים, מבינים שכל עוד לא יימצא מענה למיליארדים שאין להם גישה לחיסון, צפוי הנגיף לפתח עוד ועוד וריאנטים, שעלולים להיות עמידים לחיסונים - והמלחמה בקורונה תימשך. מסיבה זו חשוב מאוד, למען האנושות כולה, למצוא פתרון זול ונגיש שיתאים גם לאוכלוסיות חלשות במדינות מתפתחות."

 

חסה ימית עם כוחות על

"לצורך זה, החלטנו במעבדה שלנו לבחון חומר שהפקנו במחקרים קודמים: אולוון (Ulvan), המופק מאצה ימית בשם אולווה (ulva), שנקראת גם 'חסה ימית' ומשמשת למאכל במקומות כמו הוואי וסקוטלנד. בעבר פורסם כי אולוון יעיל נגד נגיפים בחקלאות וגם נגד חלק מהנגיפים האנושיים, ואם הגעת הקורונה ביקשנו לבחון את פעילותו נגד נגיף הקורונה."

 

ואכן, חוקרי המעבדה בהובלת ד"ר גולברג מצאו כי חומר האולוון (ulvan) מונע הידבקות של תאים בנגיף הקורונה. לדברי החוקרים, "מדובר בחומר טבעי זול להפקה, שעשוי לסייע בפתרון בעיה חמורה: התפשטות הקורונה באוכלוסיות נרחבות, בעיקר במדינות מתפתחות, שאין להן גישה לחיסון – מצב הגובה קורבנות רבים ואף גורם ליצירה מואצת של וריאנטים חדשים. המחקר נמצא עדיין בשלביו המוקדמים, אך אנו מקווים שהתגלית תשמש בעתיד לפיתוח תכשיר נגיש ויעיל נגד הדבקה בקורונה."

 

במחקר השתתפו שי שפר, ארתור רובין ואלכסנדר צימודנוב ממעבדתו של ד"ר גולברג, פרופ' מיכאל גוזין מבית הספר לכימיה ומהמרכז לננו-מדע וננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב, וכן חוקרים מהאוניברסיטה העברית, מהמרכז הרפואי מאיר בכפר סבא, וממכון Southern Research באלבמה, ארה"ב. המאמר פורסם בכתב העת PeerJ .

 

אופטימיות זהירה

כדי לבחון את השערתם שבו החוקרים למעבדה בעיצומו של הסגר הראשון, גידלו אצות אולווה, הפיקו מהם את החומר אולוון, ושלחו אותו למכון Southern Research Institute באלבמה, ארה"ב, העוסק במחלות זיהומיות. החוקרים בארה"ב בנו מודל תאי לבדיקת פעילות החומר שהופק במעבדתו של פרופ' גולברג. התאים במודל נחשפו לנגיף הקורונה וגם לאולוון, ונמצא כי בנוכחות אולוון הנגיף אינו חודר לתאים. במילים אחרות: אולוון (בניגוד למיצויים מאצות נוספות שנבדקו) מונע את הדבקת התאים בנגיף הקורונה. לדברי החוקרים "הממצאים מעודדים מאוד, אך הם עדיין בבחינת 'סימני נפט' בלבד, ועבודה רבה עוד לפנינו. החומר הופק בהפקה גולמית, כך שהוא למעשה תערובת של חומרים טבעיים רבים, ועלינו לגלות איזה מהם הוא החומר שמונע את הדבקת התאים. לאחר מכן יש לבחון איך, אם בכלל, הוא פועל בבני אדם."

 

"במחקר מצאנו חומר טבעי, זול וקל להפקה, שמונע הדבקת תאים במעבדה בנגיף הקורונה. הממצאים שלנו מעוררים בשלב זה אופטימיות זהירה. בתרחיש האופטימי ביותר יוכל האולוון לשמש כפתרון לבעיה דחופה וכאובה: הגנה מפני קורונה למיליארדי בני אדם שאין להם גישה לחיסונים. בכך תימנע התפתחות של וריאנטים חדשים, דבר שיתרום בסופו של דבר לעצירת המגפה העולמית, שגבתה עד היום את חייהם של קרוב לחמישה מיליון בני אדם."

 

מחקר

17.11.2021
הכוכבים הקניבלים

פיצוץ ענק בחלל שפך אור על תעלומה אסטרונומית

 

  • מדעים מדויקים

מחקר בינלאומי חדש בהשתתפות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב והאוניברסיטה העברית אישש לראשונה את קיומה של  תופעת ה"קניבליזם הקוסמי הכפול" – תופעה נדירה שבה כוכב בולע עצם דחוס כגון חור שחור או כוכב נויטרונים, והעצם בתורו "זולל" את ליבת הכוכב. סופו של התהליך ההרסני בפיצוץ אדיר שבמרכזו נשאר ככל הנראה חור שחור. המחקר נערך בהשתתפותם של האסטרופיזיקאים הישראלים פרופ' אהוד נקר מבית הספר לפיזיקה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, וד"ר אסף חרש ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, כשלצדם מדענים מארצות הברית, יפן וקנדה.

 

פיצוץ כוכב במהירות של כ-5 מיליון קילומטר בשעה

ההוכחות התצפיתיות לקיומה של התופעה הגיעו משילוב של מידע ממספר טלסקופים. הראשון הוא "המערך הגדול מאוד" (Very Large Array), שהוא מצפה של טלסקופי רדיו הממוקם בניו מקסיקו. במהלך סריקות שבוצעו במצפה בקיץ 2017 הופיע אות רדיו חזק מאוד שנוצר בעקבות פיצוץ כוכב, או סופרנובה, המרוחק כ-500 מיליון שנות אור מכדור הארץ. "חשבנו שמדובר בפיצוץ מעניין אבל לא ידענו שזוהי רק ההתחלה של תעלומה רחבת היקף", אומר פרופ' נקר, ששימש התאורטיקן הראשי של המחקר. "המידע שהעמיתים שלנו ליקטו ממקורות תצפיתיים שונים, שכל אחד מהם מתבסס על תחום ספקטרלי אחר, עזר לנו לגבש את הבסיס התאורטי להבנת התופעה המרתקת הזאת".

 

צוות החוקרים ניתח את הנתונים וביצע תצפיות נוספות ב-VLA וכן בטלסקופ במצפה Keck שבהוואי, המבוסס על אור נראה. הטלסקופ במצפה Keck קלט שטף אור שהעיד על התנגשות בין חומר שהועף עקב פיצוץ הכוכב במהירות עצומה של כ-5 מיליון קילומטר בשעה (כחצי אחוז ממהירות האור), לחומר איטי הרבה יותר שנזרק מהמעטפת החיצונית של הכוכב כ-1000-100 שנה לפני הפיצוץ. ממהירות החומר שהועף בפיצוץ והמרחק ממרכז הפיצוץ למקום ההתנגשות הסיקו החוקרים שהפיצוץ אירע בערך ב-2014.

 

בהתאם לכך, בחיפוש בתצפיות עבר על האזור בשמים בו אירע הפיצוץ, איתר הצוות במידע שנשמר בטלסקופ MAXI היפני המוצב בתחנת החלל הבינלאומית, התפרצות קרני רנטגן חזקה ביותר שהתרחשה ב 2014. מההתאמה במקום ובזמן לפיצוץ שהתגלה בקרינת הרדיו הסיקו החוקרים שבסבירות גבוהה מאוד קרינת הרנטגן נפלטה במהלך פיצוץ הכוכב. ניתוח של קרינה זו העלה שמקורה חייב להיות סילון יחסותי (הנע במהירות הקרובה מאוד למהירות האור) של אנרגיה וחומר. המחקר פורסם לאחרונה בעיתון המדעי היוקרתי "Science".

 

נבלע בעודו בחיים

מאיסוף חלקי הפאזל יחדיו, החלה להצטייר התמונה הבאה: לפני זמן רב, זוג כוכבים נולדו כאשר הם מקיפים זה את זה במסלוליהם (זו תופעה נפוצה מאוד ביקום). הכוכב הכבד יותר מת ראשון בסופרנובה שאירעה לפני זמן רב מאוד והסתיימה ביצירתו של עצם דחוס מאוד – כוכב נויטרונים או חור שחור. לאחר מכן הכוכב הנותר התנפח, כפי שקורה לכל הכוכבים בערוב ימיהם ו"בלע" את הכוכב המת אל בין השכבות החיצוניות שלו כך שנוצרה "מעטפת משותפת" (Common Envelope).

 

כך, העצם הדחוס הקיף את ליבת הכוכב החי בעודו נע דרך המעטפת החיצונית שלו. לאינטראקציה בין הכוכב הדחוס למעטפת היו שתי תוצאות, הראשונה היא שהמעטפת נזרקה לחלל המקיף את שני הכוכבים והשנייה שהכוכב המת שקע עמוק יותר ויותר לעבר הליבה של הכוכב החי עד שלבסוף שקע למרכזה. בשלב זה החל העצם הקומפקטי לבלוע לתוכו חומר מליבת הכוכב החי. 

 

פרופ' נקר, שחוקר בין השאר סילונים יחסותיים מוסיף: "נדיר מאוד שכוכבים שמתפוצצים יוצרים סילוני אנרגיה במהלך הפיצוץ. אולם, אם חור שחור (או כוכב ניוטרונים), מוצא את דרכו לליבת כוכב חי - כוחות כבידה ואינטראקציות מגנטיות מורכבות, שמקורן בתהליך ה'זלילה', צפויים לשחרר סילוני אנרגיה אדירים ובמקביל לגרום לפיצוץ של הכוכב החי כסופרנובה. ככל הנראה זה מה שאירע במקרה הזה כאשר הסילונים פלטו את קרני הרנטגן שנצפו ב-2014 והתרסקותו של החומר, שהועף במהלך הפיצוץ במהירות שיא על המעטפת שנזרקה בשלב השקיעה של הכוכב המת לעבר ליבת הכוכב החי, הביא להיווצרותם של אות הרדיו שנצפה ב-2017 ב-VLA וכן של השטף הזוהר שנצפה במצפה Keck. התאמתם של הממצאים התצפיתיים לתאוריה זו, הביאה לפתרון התעלומה".

 

"ההשערה התאורטית שדברים כאלה קורים ככל הנראה במקום כלשהו ביקום הועלתה כבר לפני כעשור", מציין פרופ' נקר ומוסיף כי "בכל מקרה, זו הפעם הראשונה שיש לפנינו מראה עיניים. זו, כך נראה, תופעה אמיתית ומוחשית, על אף נדירותה. ההסבר התאורטי שנתנו עשוי להוות פתח להסבר של תופעות אחרות באסטרופיזיקה הקשורות בסופרנובות ובחורים שחורים". ד"ר אסף חרש מהאוניברסיטה העברית, אשר לקח חלק בניתוח תצפיות הרדיו, סיכם: "בשנים האחרונות, אנחנו מגלים עוד ועוד תופעות חדשות באמצעות פרוייקטים חדשניים בתחום אסטרונומיית הרדיו. אני צופה שטלסקופי רדיו יחשפו בשנים הקרובות עוד תופעות מרתקות, כמו זו האחרונה, הקשורות במוות של כוכבים, כוכבי ניטרונים וחורים שחורים״.

מחקר

06.10.2021
סודות של ציפורים, בינה מלאכותית, חקלאות ירוקה ושלום במזרח התיכון

מעקב אחר מאות ציפורים באמצעות GPS שופך אור על תהליכים טבעיים ומאפשר התערבות חכמה לטובת האקולוגיה

 

  • מדעים מדויקים
  • רפואה ומדעי החיים

ציפורים הן בעלי חיים מרתקים, שיכולים לספק לנו מידע רב אודות הטבע והסביבה והשינויים שחלים בו. אבל הן גם ביישניות מאוד, וכל חוקר ציפורים מנוסה יודע שתצפיות בשטח מספקות מידע חלקי בלבד. איך אפשר להתגבר על המשימה המורכבת? בפרויקט ייחודי מסוגו שמתקיים בישראל, בהובלת ד"ר אור שפיגל מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, ופרופ' אסף שוורץ מהטכניון, עוקבים החוקרים במקביל אחר מאות עופות ממינים שונים באמצעות GPS - התקן מעקב זעיר שמוצמד לגב העוף. מערכת המעקב החדשה, ATLAS, שמותקנת בעמק חרוד ועמק המעיינות, מספקת לחוקרים כמות עצומה של נתונים, שאותם הם מנתחים בעזרת טכנולוגיות בינה מלאכותית, בלמידת מכונה ובשיטות חדישות של ביג דאטה. ומה הם גילו עד כה? שבולבולים לא אוהבים לעוף בשדות, שיש שחרורים שחומקים בלילות לממלכת ירדן, שאפשר לעזור לחקלאות במזרח התיכון ואפילו לקרב בין עמים בזכות עידוד התרבות התנשמות ויש עוד כמה סודות שייחשפו בהמשך.

 

"לעקוב אחר בעלי חיים קטנים ברזולוציות חסרות תקדים"

מערכת אטלס היא פיתוח ייחודי של פרופ' סיון טולדו מבית הספר למדעי המחשב ע"ש בלווטניק, ושל פרופ' רן נתן מהאוניברסיטה העברית וראש מרכז מינרווה לחקר התנועה. המערכת עובדת על ידי הצמדת משדר זעיר לגב העוף. אורך החיים של סוללת המשדר נע בין שבועיים למינים הקטנים ועד יותר משנה למינים גדולים כמו תנשמת. אחד היתרונות הטכנולוגיים החשובים של מערכת אטלס היא האפשרות להצמיד משדרים קטנים וזולים במיוחד לעופות ובעלי חיים אחרים.

 

"המערכת החדשנית מאפשרת למעשה לעקוב אחר בעלי חיים קטנים ברזולוציות חסרות תקדים. פתאום רואים את הפרטים, זה כמו להרכיב משקפיים בפעם הראשונה", מספר בהתרגשות ד"ר שפיגל. "זו חוויה אדירה, אנחנו עוקבים במקביל אחר מינים מגוונים כמו תנשמות, סיקסקים, בזים, נקרים, בולבולים, עורבנים, שלדגים ועוד". המחקר הוצג לאחרונה במסגרת הכנס הראשון של יוזמת AI4Good המשותפת לאוניברסיטת תל אביב ולגוגל, שהוקדש לתרומה האפשרית של בינה מלאכותית לחקר ולשימור הסביבה.

 

לשפר מסדרונות אקולוגיים

לדבריו של ד"ר שפיגל, ככלל, ניתן להצמיד משדר של עד 4% ממשקל הציפור, כדי שלא להכביד על מעופה. כלומר, אם הציפור שוקלת 100 גרם – המשדר שלה שוקל ארבעה גרם בלבד. "היתרון של ה-GPS הוא אדיר. אם פעם היה אפשר להוציא מעט נקודות למשדר של ארבעה גרם - במערכת GPS אפשר להוציא מאות נקודות, ומערכת אטלס מאפשרת לנו להוציא מאות אלפי נקודות תנועה ממשדר של ארבעה גרם. כמובן שמאות אלפי נקודות כפול 150 פרטים זה המון מידע מאוד רלוונטי", הוא אומר.

 

במערכת אטלס משתמשים מדעניות ומדענים רבים, החוקרים היבטים זואולוגיים ואקולוגיים שונים כדי לאפיין את המסדרון האקולוגי של עמק חרוד. "המסדרון האקולוגי מאפשר לאוכלוסייה לשמור על רציפות, אחרת תהיינה שתי אוכלוסיות המופרדות זו מזו על ידי מחסומים כגון ישובים ותשתיות, והן יהיו פגיעות יותר להכחדה", מסביר ד"ר שפיגל. "עד כה השתמשו במצלמות כדי לראות אם הצבי למשל משתמש במסדרון או לא. מערכת אטלס מעניקה לנו רזולוציה גבוהה הרבה יותר. אנחנו מניחים שכל בעלי החיים יכולים לעבור דרך המסדרון, אבל הנה לדוגמא, גילינו עכשיו שבולבולים נמנעים משדות. ברמת התכנון הנופי, צריך רק להוסיף שישה מטרים של צמחייה טבעית בשולי השדות, וכך נאפשר גם לציפורים כמו הבולבול להשתמש בפרוזדור ביעילות, מבלי לחצות את השדות. הטבע ירוויח והחקלאי לא יפסיד הרבה שטח ויקבל פיצוי מהרשויות. כל ציפור והדרישות שלה".

 

לא אוהב לעבור בשדות. בולבול צהוב שת

 

בינה מלאכותית, תנשמות וחקלאות ירוקה

אחד הפרויקטים המעניינים ביותר שמשתמשים במערכת אטלס הוא פרויקט התנשמות של הדוקטורנט שלמה קאין, בהנחיית ד"ר שפיגל ופרופ' אמירטוס יוסי לשם, מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב ומייסד המרכז הבינלאומי לחקר נדידות הציפורים. תנשמת היא ציפור גדולה יחסית, במשקל כ-400 גרם, שניזונה בעיקר מנברנים (מין עכבר המזיק לשדות חקלאיים), וממכרסמים אחרים. הרעיון מאחורי הפרויקט הוא לעודד את שגשוג אוכלוסיית התנשמות כתחליף טבעי לחומרי הדברה כימיים שנועדו להרחיק נברנים, שעולים לחקלאים הרבה מאוד כסף ושבסופו של דבר מחלחלים גם לקרקע ולמי השתייה של כולנו, ופוגעים בחיות הבר, בציפורים נודדות ובאדם.

 

"החל משנת 2002 אנחנו עובדים עם חקלאים פלסטינים וירדנים בפרויקט שנקרא 'ציפורים לא יודעות גבולות', וב-2008 הפרויקט הפך לפרויקט לאומי", אומר פרופ' לשם. "כל תנשמת מגדלת בין 5 ל-12 גוזלים, אבל לשם כך היא צריכה תיבת קינון. אנחנו מספקים לה את התנאים לקנן בשטחים חקלאיים באמצעות הנחת תיבה המתאימה לתנשמת, ובאמת איפה שיש תיבה כזאת החקלאים מפסיקים להשתמש בחומרי הדברה. מערכת אטלס מספקת לנו מידע על תנועת התנשמות, כדי שנדע איפה להניח את התיבות, ובינתיים יש לנו כ-5,000 תיבות בישראל, ברשות הפלסטינית ובירדן. התנשמות האלה מחברות בין העמים, בין מוסלמים ליהודים, כי הן באמת לא יודעות גבולות, ומתוך כ-70 תנשמות שמשדרות - 7 כבר עפו לירדן".

 

מתייר בירדן בלילות

שלא כמו התנשמת, שידוע כי היא מגיעה למרחקים ארוכים, מחוץ לעונת הנדידה שלהן ציפורי שיר משוטטות על פני מרחב מצומצם בהרבה. חידוש מפתיע ומרגש הגיע במסגרת פרויקט של הדוקטורנטית מיכל הנדל, בשיתוף פעולה של אוניברסיטת תל אביב והטכניון והצפר יוחאי וסרלאוף. בתחילת חודש יוני השנה הם הצמידו משדר לציפור שיר ממין שחרור. אחרי מספר שבועות בהן שהה השחרור שהה בפרדס ובמטעי השקד של קיבוץ עין חרוד מאוחד, באישון לילה הוא החליט לעוף לממלכת ירדן, שם המערכת ממשיכה לעקוב אחר תנועתו בציפייה דרוכה. זאת אחת הפעמים הראשונות שציפור שיר יציבה תועדה כשהיא עפה קילומטרים רבים וחוצה גבול בינלאומי בישראל.

 

מחפש ריגושים בלילות. שחרור זכר

פרופ' ענבל בן-עמי ברטל וצוות המחקר שלה

מחקר

04.10.2021
מה עובר לנו בראש כשאנחנו מעניקים עזרה?

מחקר חדש חושף את הבסיס הביולוגי של האמפתיה

 

  • מדעים מדויקים

האם יונקים, וחולדות בפרט, מסוגלים לגלות אמפתיה אחד לשני, לנקוט בהתנהגות פרו-חברתית ולסייע לאחרים במצוקה? ד"ר ענבל בן-עמי ברטל מבית הספר לפסיכולוגיה ומבית הספר סגול למדעי המוח, ערכה סדרת מחקרים בנושא והגיעה לגילויים מפתיעים. למשל, שחולדות מפעילות את מערכת התגמול במוח בזמן שהן פועלות לעזרת חברה לכודה, אבל כשמדובר בחולדה זרה ומזן אחר - אותה מערכת לא עובדת, והחולדה נותרת ללא סיוע.

 

עזרה לזולת מתגמלת לא פחות מאכילת שוקולד

במחקר הראשון בסדרת המחקרים, מבחן התנהגות עוזרת בחולדות, שפיתחה ד"ר בן-עמי ברטל במהלך הדוקטורט שלה באוניברסיטת שיקאגו עם פרופ' פגי מייסון ופרופ' ג'אן דסטי, נבדקה הנכונות של חולדה לחלץ חברה במצוקה. במבחן זה, חולדה אחת לכודה במלכודת ואחרת יכולה לשחרר אותה על ידי פתיחת דלת המלכודת מבחוץ. כשחולדות לומדות לפתוח את המלכודת הן ממשיכות לעשות זאת במהירות ובעקביות בימים הבאים, גם אם אין מגע בין החולדות לאחר העזרה.

 

"גילינו שלעזור לחולדה השנייה מתגמל כמו לאכול שוקולד, אם לא יותר", מספרת ד"ר בן-עמי ברטל. "המחקר התפרסם בעיתון Science וקיבל חשיפה עצומה, לאור הטענה שהחולדות מונעות על ידי אמפתיה לחולדה הלכודה. כלומר, החולדה מגיבה למצוקה של החולדה הלכודה והיא רוצה לעזור לה כדי להסיר את גורם המצוקה. במחקרי המשך נמצא שהחולדות מראות עליה ברמת הלחץ בזמן המטלה, גם אצל החולדה הלכודה וגם החופשיה, ועזרה מורידה את הלחץ לשתיהן. עוד נמצא כי מתן חומרים נוגדי-חרדה מוריד את ההסתברות שהחולדות יעזרו, אולי כי הן לא חשות את המצוקה של החולדה הלכודה".

 

לא נחמדות לכל אחד

מאז יצאו עשרות מאמרים על אמפתיה בעכברים וחולדות, והיום יש הרבה יותר קבלה של הרעיון שחיות, במיוחד יונקים חברתיים, מרגישות ומשקפות את המצוקה של אחרים. הייחוד של המודל הזה הוא שהחולדות לא רק 'נדבקות' במצוקה של האחר, אלא גם מנסות, ולרוב מצליחות, לסייע לחולדה הלכודה להשתחרר.

 

"אבל אז נוסף 'טוויסט' לעלילה וגילינו שכמו אצל בני אדם, חולדות לא נחמדות סתם לכל אחד. במחקר עוקב נוסף שהתפרסם ב-eLife בשנת 2014, הראינו שחולדות מראות הטיה חברתית בהתנהגות פרו-חברתית, כלומר עוזרות לבני קבוצת השייכות שלהן ולא לחולדות מקבוצות אחרות, מזן אחר בעל פרווה שחורה. הסלקטיביות הזו של התנהגות פרו-חברתית אצל החולדות מזכירה מאד את ההטיה החברתית שרואים בבני-אדם, שנוטים לחוש אמפתיה ולעזור לבני קבוצת השייכות שלהם יותר מלקבוצות אחרות. בנימה מעודדת, מגורים משותפים של שבועיים עם חולדה מהזן השני גרמה לשינוי גורף במוטיבציה הפרו-חברתית, וחיות עזרו לא רק לבת זוגן לכלוב אלא אף לחיות זרות מהזן השני, לאחר היכרות עם חולדה אחרת", מסבירה ד"ר בן-עמי ברטל. 

 

חברות הכי טובות. ההתנהגות הפרו-חברתית אצל חולדות מזכירה את זו שקיימת אצל בני אדם

 

מה יותר חשוב – שייכות או אמפתיה?

הבדל התנהגותי זה העלה את השאלה מה שונה במוח של חולדות 'אמפתיות' לעומת חולדות שלא עוזרות. במחקר החדש, בדקה ד"ר בן-עמי ברטל את הבסיס המולקולרי של ההתנהגות הזו, בתוך התמקדות בפעילות המוחית בשני התנאים האלה.

 

ראשית, היא סימנה בעזרת סימון זרחני של נוירונים שהיו פעילים בזמן המטלה נוירונים, שהיו פעילים בזמן שחולדות היו בנוכחות חולדה לכודה מקבוצת השייכות שלהן, או מהזן השני, ונעשה ניתוח סטטיסטי וגרפי של הרשתות המוחיות הפועלות בכל תנאי. כמו כן, נעשו הקלטות של פעילות מוחית על ידי אות סידן שמשתחרר כשנוירונים פעילים.

 

בשתי הקבוצות, גם בקבוצה שלא עזרה, הופעלה מערכת מוחית שקשורה לעיבוד מצוקה של אחרים, כולל אזורי מוח דומים לאלו שפועלים בשעה שבני אדם חשים אמפתיה. אבל רק בחולדות שראו חולדה מהזן שלהן נצפתה התנהגות עוזרת והפעלה של מערכת התגמול, זוהי הרשת המוחית שמעוררת מוטיבציה לבצע דברים חשובים שתורמים להישרדות, כמו אוכל או בני זוג, בכך שהיא גורמת להם להרגיש טוב. 

 

"מחקר זה מראה שלמערכת התגמול תפקיד חשוב בהתנהגות עוזרת, ואם אנחנו רוצים להגביר את ההסתברות להתנהגות פרו-חברתית - יש לתגבר תחושת שייכות יותר מאשר אמפתיה. מחקר נוסף שנערך אצלנו עכשיו מנסה לבדוק מה קורה במוח של חולדות מהקבוצות השונות בשבועיים שהן גרות יחד ונהיות חברות, ואיך אפשר באמצעות גירוי מלאכותי של המוח לגרום לחולדות להיות אמפתיות למצוקה של חולדות מהזן השני", מסכמת ד"ר בן-עמי ברטל.

מחקר

04.10.2021
לשפוך אור על תורת הקוונטים

חוקרים גילו כיצד תורת הקוונטים משפיעה על תהליך פליטת האור

 

  • מדעים מדויקים

סדרת מחקרים חדשה בהובלת חוקרים של אוניברסיטת תל אביב, טכניון ו-MIT מגלה כי גלי האור הנפלטים מחלקיקים משנים חלק מתכונותיהם כתלות בתכונות הגליות של החלקיקים. או במילים אחרות: תורת הקוונטים משפיעה על תהליך פליטת האור. סדרת המחקרים נערכה בהובלת פרופ' עדי אריה, מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' עדו קמינר, חבר סגל בפקולטה לפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי וחבר במכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע"ש הלן דילר בטכניון.

 

לגעת בלב טכנולוגיות הצפנה ומחשוב קוונטיות

בסדרת המחקרים, הראו החוקרים כיצד גלי אור משתנים כתלות בתכונות הקוונטיות של החלקיקים הפולטים אותם, וכי ניתן לפרש את פליטת האור כהתממשות של תופעה קוונטית הנוגדת לגמרי את האינטואיציה שלנו: קריסת פונקציית הגל. החוקרים הראו גם קשר ישיר בין פליטת אור ובין שזירות קוונטית – התופעה העומדת בליבן של טכנולוגיות הצפנה ומחשוב קוונטיות.

 

החוקרים מסבירים: דמיינו כי אתם מתבוננים בגל מים הפוגע בשובר גלים ובו שני סדקים, כך שלאחריו נוצרים שני גלי מים חדשים הבוקעים משני סדקים אלו. אם נתבונן בצורתם, נראה מקומות שבהם הגלים גבוהים יותר – ומקומות שבהם הגלים נעשו נמוכים. תופעה זו נקראת התאבכות: שני הגלים מסתכמים יחדיו במקומות מסוימים ומבטלים זה את זה במקומות אחרים. כעת, דמיינו כי אתם מתבוננים בכדורי טניס הנזרקים לעבר קיר ובו שני סדקים. ברור כי חלק מהכדורים יעברו דרך הסדק הראשון וחלקם דרך הסדק השני. הכדורים לא "יסתכמו יחדיו" או "יבטלו" זה את זה, כמו שגלים עושים.

 

לעומת זאת, תורת הקוונטים, התיאוריה הפיזיקלית המתארת את התכונות של חלקיקים זעירים, גורסת כי חלקיקים אלה עשויים לעיתים להתנהג כגלים. אם נבצע את ניסוי "שני הסדקים" עם חלקיקים קוונטיים, נראה כי החלקיק הקוונטי מסוגל לעבור דרך שני הסדקים שבקיר בעת ובעונה אחת.

 

בניסוי נצפה בתבנית התאבכות המורכבת לסירוגין מפסים בהירים – עדות לפגיעת החלקיקים במסך – ופסים חשוכים המעידים על מיקומים שבהם החלקיקים לא פגעו. בהירותם של הפסים מאוד דומה לגובהם של גלי המים לאחר הפגיעה בשובר הגלים עם שני הסדקים. עם זאת, קיים הבדל מהותי בין גלי המים ובין גלי החלקיקים של תורת הקוונטים. אם נתבונן באחד הסדקים שבהם עבר החלקיק הקוונטי, תבנית הפסים על המסך תיעלם. עצם התצפית שלנו במיקום החלקיק באחד מהסדקים תגרום לו לעבור בוודאות דרך הסדק שבו התבוננו: פתאום החלקיק הקוונטי מתנהג כמו כדור הטניס. תופעה מוזרה זו נקראת "קריסת פונקציית הגל".

 

ההבדל בין הקלאסי לקוונטי

למרות ההתקדמות העצומה בהבנתנו את הפיזיקה הקוונטית, עדיין ייתכנו סתירות לכאורה בינה ובין הפיזיקה הקלאסית. למשל, בפיזיקה קלאסית ניתן למצוא את מסלולו ומהירותו של חלקיק הפולט אור, ולנבא מכך את אופיו של האור הנפלט ממנו. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים אי אפשר למדוד את מיקומו ואת מהירותו של חלקיק קוונטי בעת ובעונה אחת (זהו עיקרון אי-הוודאות המפורסם של הייזנברג). כמו כן, לחלקיקים הקוונטיים תכונות גליות, והם משנים את תכונותיהם כאשר אנו "מתבוננים" בהם (קריסת פונקציית הגל).

 

סדרת המחקרים החדשה הראתה כיצד תכונות אלו של המכניקה הקוונטית משפיעות על האופן שבו חלקיקים פולטים אור. החוקרים הראו שתופעות רבות הקשורות לפליטת אור, שהוסברו באותו האופן ב-100 השנים האחרונות, יכולות להתנהג באופן שונה מאוד מהצפוי. זאת, עקב השפעת האופי הקוונטי של חלקיקי החומר על האור הנפלט מהם.

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש
שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>