מחקרים

"כל הגלקסיות, הכוכבים וכוכבי הלכת המוכרים לנו היום נולדו מתוך ענני גז גדולים, שנוצרו במפץ הגדול, לפני 13.7 מיליארד שנים," מסביר שמואל ביאלי, שהוביל את המחקר במסגרת עבודת הדוקטורט שלו בבית הספר לפיסיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל-אביב, תחת הנחייתו של פרופ' עמיאל שטרנברג. "עד היום מקובל היה לחשוב שהתנאים באותם עננים קדמוניים מנעו היווצרות של מים בכמויות משמעותיות. במחקר שלנו גילינו, להפתעתנו, שכמות אדי המים בענני הגז הייתה גדולה בהרבה משסברנו."

המחקר בוצע בשיתוף עם פרופ' אבי לייב, ראש המחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת הרווארד, במסגרת התכנית לאסטרונומיה אוניברסיטת תל-אביב - אוניברסיטת הרווארד על שם ריימונד ובברלי סאקלר. המאמר התקבל לפרסום בכתב העת Astrophysical Journal Letters .

ענני גז קדמוניים

"כשהיקום היה צעיר, בן כמיליארד שנה בלבד, הכוכבים שאנו מכירים היום רק החלו להיווצר," אומר ביאלי. "רוב החומר ביקום התרכז בענני גז גדולים, שהורכבו בעיקר מהיסודות הכימיים הקלים ביותר - מימן והליום. הכוכבים, כמו השמש שלנו, וכוכבי הלכת שמסתובבים סביבם, נוצרו בהמשך, כתוצאה מהתכווצות וקריסה של ענני הגזים - בתהליך שארך מיליארדי שנים, ונמשך גם היום."

עד היום מקובל היה לחשוב שאותם ענני גז הראשוניים הכילו מעט מאוד מולקולות של מים (H2O), וזאת משתי סיבות עיקריות: "ראשית, החמצן הדרוש ליצירת מים היה נדיר מאוד בראשית היקום," מסביר ביאלי. "שנית, מולקולות שבכל זאת נוצרו בעננים היו חשופות לקרינה אולטרה-סגולית (UV) - קרינה המפרקת מולקולות – בעוצמה גדולה מאוד. בענני גז הקיימים היום בגלקסיה שלנו, המולקולות מוגנות על ידי כמות גדולה של אבק, שסופג את הקרינה. אך האבק הזה התהווה רק במהלך העידנים, כתוצר של תהליכי יצירה ופיצוץ של כוכבים. ענני הגז הקדומים היו נקיים כמעט לחלוטין מאבק, ולכן הקרינה שחדרה אליהם הייתה חזקה והרסנית הרבה יותר."

שכיחות גבוהה פי 100

כדי לבדוק כמה מים היו באמת בענני הגז הקדומים, ביצעו חברי הקבוצה מחקר תיאורטי: הם פתרו משוואות כימיות המבטאות את קצב היצירה וההריסה של מולקולות המים בתנאים ששררו בענן. "בחרנו לבסס את החישוב על סביבה (תיאורטית) שבה כמות החמצן קטנה פי אלף מזו שאנו מוצאים היום בענני גז בגלקסיה שלנו," אומר ביאלי. "לכן ציפינו למצוא כמות זניחה של מולקולות מים - קטנה פי אלף מזו שבעננים העכשוויים. אך התוצאות היו מפתיעות: על פי החישובים שלנו, שכיחות אדי המים בעננים הקדמונים הייתה גבוהה פי 100 מששיערנו – ודומה מאוד לשכיחותם בענני הגז כיום. אם כי חשוב מאוד לציין שבעידן הנוכחי, העננים מכילים, בנוסף לאדי המים, גם כמות גדולה של קרח - כלומר מים במצב צבירה מוצק."

מה ההסבר לכך? מדוע בכל זאת, על אף התנאים הקשים, נוצרה בענני הגזים הקדומים כמות גדולה יחסית של מולקולות מים? לדברי ביאלי, התשובה טמונה בטמפרטורה: "מחקרים קודמים, של פרופ' אבי לייב ואחרים, הראו כי בעננים של ראשית היקום שררה טמפרטורה גבוהה יחסית, הדומה לטמפרטורת החדר - כ-30 מעלות צלסיוס. לעומת זאת, הטמפרטורה בענני הגזים היום נמוכה מאוד - מתחת ל-200- מעלות צלסיוס. ההתקררות נגרמת על ידי יסודות כמו פחמן וחמצן - תוצרים של כוכבים וכוכבי לכת, שהיו נדירים ביקום הקדום, אך מצויים בשפע בענני הגז של היום." בעקבות הממצאים סבורים החוקרים כי הטמפרטורה הגבוהה האיצה את תהליך יצירתן של מולקולות המים בענני הגז הקדומים - במידה שהצליחה לפצות ואף להתגבר על פגיעת הקרינה ומיעוט החמצן.

"ענני הגז הקדמונים היו חומר הגלם שממנו נוצרו כל הכוכבים וכוכבי הלכת הקיימים היום," מסכם ביאלי. "לכן ניתן להניח שהמים שהכילו העננים מצאו את דרכם לכוכבי לכת, בגלקסיה שלנו ובגלקסיות אחרות. ייתכן בהחלט כי התנאים להיווצרות חיים היו קיימים כבר בשלב מוקדם מאוד בתולדות היקום, ויותר מכך: ככל שכמות המים גדולה יותר - כך גדל הסיכוי למצוא חיים במקומות אחרים ביקום."

לתגלית אחראים נטשה סולודנקו, תלמידת מחקר לתואר שלישי בחוג לארכיאולוגיה באוניברסיטת תל-אביב, ופרופ' רן ברקאי, ראש החוג לארכיאולוגיה באוניברסיטת תל-אביב. החוקרים הישראלים שיתפו פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת רומא שבאיטליה: פרופ' כריסטינה למוריני, פרופ' סטלה סזרו ותלמיד הדוקטורט אנדראה זופנציץ. התגלית התפרסמה השבוע בכתב העת PLoS One.

האתר מחצבת רבדים נמצא מזרחית לצומת ראם. האתר נחשף בשנת 1996, במהלך הרחבת מחצבת רבדים. מאז נערכו במקום חפירות על ידי רשות העתיקות, במהלכן התגלה אתר גדול ועשיר בכלי צור ובעצמות בעלי חיים מהתקופה הפליאוליתית התחתונה - כלומר לפני כחצי מיליון שנה. את האתר אכלס ככל הנראה ההומו ארקטוס, מין קדום של אדם אפריקאי במקורו, שחי גם באזור שלנו. ההומו ארקטוס הוא האב הקדמון של בני האדם המודרניים ושל בני האדם הנאנדרתליים.

האבות הקדמונים שלנו

"האתר הזה מייצג שלב מאוד משמעותי בהיסטוריה של המין האנושי - התרבות האשלית", מסביר פרופ' ברקאי. "זוהי תרבות ארכיאולוגית שהתקיימה במשך כשני מיליון שנה, בכל יבשות העולם העתיק, ועברה מן העולם בסך הכל לפני כמאתיים אלף שנה. אלה האבות הקדמונים הישירים שלנו, בני האדם המודרניים. בתקופה הזאת התעצבו לא מעט מההתנהגויות ומהמאפיינים שלנו, כגון הגידול בנפח המוח, השימוש בכלים ואכילת הבשר".

התרבות האשלית ייצרה כלי צור ייחודיים המכונים אבני יד, אשר יוצרו שוב ושוב, במשך כשני מיליון שנה, בכל רחבי העולם. לגבי שימושם של כלים אלה קיים ויכוח מתמשך, שכן אלו כלים מרשימים, סימטריים ואסתטיים מאוד יחסית לכלי עבודה. חלקם הגדול אפילו יוצר לפי פרופורציות "יחס הזהב".

כלים מושקעים לחיתוך בשר

"אלה כלים אניגמטיים מאוד", אומר פרופ' ברקאי. "ברור שהשקיעו בהם מאמץ עודף, עכשיו השאלה היא למה. הדעות לגבי השימוש בכלים האלה חלוקות באופן מעורר השתאות. יש חוקרים, למשל, שסבורים שהכלים שימשו כאינדיקציה לברירה זוויגית, כחלק מעיקרון ההכבדה באבולוציה: ההומו ארקטוס השקיע את מרצו בהכנת הכלים כדי להוכיח לנקבות שיש לו גנים טובים. אנחנו לא פוסלים הצעות כאלה ואחרות, אבל עכשיו יש בידינו הוכחה חד-משמעית לכך שהכלים שימשו, בראש ובראשונה, לחיתוך ולביתור בעלי חיים".

באתרים האשליים ארכיאולוגים מוצאים בדרך כלל כלי צור לצד עצמות בעלי חיים מבותרות ומנופצות - לכן נראה שהאשם העיקרי הם כלי הצור, אבל עד כה לא היתה כל עדות ישירה לשימוש בכלי הצור לחיתוך בעלי חיים. הממצאים של פרופ' ברקאי וצוותו מאתר רבדים הם העדות הישירה הראשונה בעולם לאופן השימוש בכלי הצור הללו בביתור בעלי חיים.

שומן של פיל

"רבדים הוא אתר גדול במצב שימור יוצא דופן", אומר פרופ' ברקאי. "אנחנו מעריכים שחלקים מהאתר התכסו באדמה זמן קצר לאחר שבני האדם הקדומים עזבו את המקום. כך, למשל, מצאנו באתר צלע של פיל, ועליה סימני חיתוך של כלי צור, שזה ממצא נדיר למדי - למצוא חיתוך שהתבצע לפני חצי מיליון שנה, במיוחד על עצמות של פילים. אבל התגלית הגדולה באמת היתה שני כלים שמצאנו סמוך לצלע הפיל המבותרת, שני כלים טיפוסיים מתוך המון כלים באתר הזה ובאתרים אשליים בכלל - אבן יד דו-פנית ומקרצף".

על שני כלי הצור מצאו פרופ' ברקאי וצוותו סימני שימוש - עניין נדיר על כלים בני חצי מיליון שנה. סדרה של בדיקות מיקרוסקופיות איששה שהקצה הפעיל של הכלים נשרט בעקבות העבודה, ואילו במכשיר ספקטרוסקופיית "פורייה" (FTIR) נמצאו על הכלים שיירים אורגניים של ממש.

"בעבר נמצאו שיירים אורגניים, אבל לא שיירי שומן. זה השומן העתיק ביותר בעולם", אומר פרופ' ברקאי, "והוא מהווה עדות ברורה לכך שהכלים האלה שימשו קודם כל לניצול בעלי חיים - מה שמחזק את הטענה שלנו שאלה היו כלים מרכזיים בחיי ההומו ארקטוס, ומחליש את הטענה הנגדית לפיה מדובר בתרבות שקפאה על שמריה והמשיכה בייצור אוטומטי של כלים. ההומו ארקטוס ייצרו את הכלים האלה במשך כל כך הרבה זמן פשוט כי הם היו שימושיים להם - וכאן אנחנו מראים למה.

מדובר בתגלית פורצת דרך, המציגה לראשונה בהיסטוריה של המחקר עדויות ישירות וחד-משמעיות לגבי השימוש בכלי צור שגילם לפחות חצי מיליון שנים. מבחינה מחקרית מדובר בסגירת מעגל: סוף סוף הוכח הקשר בין העצמות לכלים. האשלים, אגב, ייצרו העתקים של כלי הצור שלהם גם מעצמות של פילים. והנה, גם באתר ברבדים יש העתק של כלי צור שיוצר מעצם של פיל – ואנחנו יכולים רק להניח שמדובר באותו פיל ובאותה עצם שבותרו באמצעות אבן יד מאבן".

במאמר חדש המתפרסם בכתב העת ,Physical Review Letters הדגים צוות חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב, בראשות פרופ' רון ליפשיץ מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בשיתוף עם מיכאל אנגל מאוניברסיטת מישיגן שבארה"ב, כיצד ניתן לעשות זאת. החוקרים פיתחו שיטה חדשה שבעזרתה ניתן לתכנן ולשלוט בהיווצרותם של גבישים רכים, מחזוריים או לא-מחזוריים, בעלי מגוון מבנים ורמות סימטריה שונות. בעתיד עשויה השיטה להוביל לפיתוחים חדשניים, ביניהם חומרים עם תכונות אופטיות מתקדמות.

גבישים לפי הזמנה

"אנחנו עוסקים בחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות וגמישות, כמו כדורי ספוג עם שערות ארוכות", מסביר פרופ' ליפשיץ. "שאלנו את עצמנו האם על ידי תכנון פשוט של גודל 'הכדור' ואורך 'השערות' נוכל לגרום למולקולות להסתדר כרצוננו בשעה שהן מתגבשות".

יחד עם תלמיד המחקר קובי ברקן ופרופ' חיים דימנט מבית הספר לכימיה, בנו החוקרים מודל מתמטי עבור תהליך ההתגבשות של חומרים רכים אלו, ופענחו את סוד יציבותם של הגבישים הנוצרים – הן המחזוריים והן אלה שאינם מחזוריים. על סמך התיאוריה המתמטית הזו, תכננו החוקרים מולקולות בצורות שונות ונתנו למחשב לבצע סימולציה של תהליך ההתגבשות כדי לראות איזה גביש יתקבל. "שמחנו לגלות שתמיד קיבלנו את הגביש שרצינו", אומר קובי ברקן. "אנחנו יודעים לתכנן גבישים מחזוריים בעלי סימטריה כפולת-ארבע וכפולת-שש, וכן קווזי גבישים בעלי סימטריה כפולת-עשר וכפולת-שתים-עשרה".

החוקרים צופים כי בעתיד ניתן יהיה להיעזר בשיטה שלהם כדי לייצר גבישים רכים בעלי תכונות חדשניות, ממש "לפי הזמנה".

לייצר חומרי על

"גבישים מחומרים רכים, המורכבים ממולקולות גדולות, מתאימים במיוחד לייצורם של חומרי-על או מטה-חומרים (metamaterials) - חומרים מהונדסים בעלי תכונות ייחודיות שאינם מצויים בטבע בצורתם זו", מסכם פרופ' ליפשיץ. "בשל גודל המולקולות, התואם את אורך הגל של האור הנראה, יש פוטנציאל לפיתוח חומרים בעלי תכונות אופטיות מתקדמות. בדרך כלל יש צורך לייצר את החומרים הללו באופן מלאכותי באמצעים מתקדמים ויקרים של ננו-טכנולוגיה. הגבישים שלנו גדלים מעצמם, אבל זה נראה כאילו שאנחנו מנחים את המולקולות כיצד להסתדר".