מחקרים

במחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Nature Astronomy, מציעים חוקרים דרך חדשה לשפר בצורה משמעותית ביותר, יחסית למדידות שהתבצעו בעבר, את השיטה הנוכחית למדידת המסה של חורים שחורים. קבוצת המחקר חוצת היבשות כוללת את פרופ' חגי נצר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, ד"ר חולין מחיה-רסטרפו ופרופ' פאולינה לירה מאוניברסיטת צ'ילה, ד"ר בני טרכטנברוט ממכון ETH בציריך, וד"ר דן קפלופו מאוניברסיטת מקגיל בקנדה.

המחקר מבוסס על מדידות ספקטרליות מפורטות ביותר (מדידות של אור הנפלט מגלקסיות רחוקות), מן האולטרא-סגול ועד לאינפרא-אדום, של כ-40 חורים שחורים פעילים השוכנים בגלקסיות שגילן כ-4 מיליארדי שנים. המחקר התבצע בעזרת טלסקופי ענק במצפה האירופי הדרומי ESO (European Southern Observatory). הוא איפשר לחוקרים למפות בצורה מדויקת את הפליטה הנפלטת מגוף המכונה "דיסקת ספיחה", סמוך מאד לחור השחור וקרוב הרבה יותר מענני הגז המשמשים למדידות המסה. החוקרים שניתחו את מאפייני הקרינה, מצאו שניתן למדוד בעזרתה את מסת החור השחור בדיוק רב. זוהי שיטה נוספת, בלתי תלויה בשיטה שהייתה מקובלת עד עתה, והתבססה על תנועת ענני הגז הרחוקים. היא מאפשרת לכייל ולתקן את תוצאות המדידה של השיטה הישנה כך שהמסה הנמדדת תהיה מדויקת יותר.

איך התנהגו הגלקסיות כשהיו צעירות?

לדברי פרופ' חגי נצר, "ניתן יהיה בעתיד לערוך תיקונים מעין אלה למדידות המסה הישנות במרבית החורים השחורים הפעילים." פרופ' נצר, העוסק מזה שנים רבות בפיתוח שיטות מדידת מסה של חורים שחורים, סבור כי הדבר יאפשר הבנה טובה יותר של הדרך בה חורים שחורים גדולים שהתפתחו ביקום הצעיר, השפיעו על הגלקסיות הצעירות שנוצרו באותה התקופה.

"במיוחד יש לצפות לשיפור משמעותי בהבנת התהליכים הקושרים בין הגלקסיות והחורים השחורים ביקום הצעיר, כאשר גילו היה פחות מ-4 מיליארד שנים. לדוגמא, ככל שהחור השחור גדול יותר וסופח אליו יתר גז, כך גדלה השפעת הקרינה הנפלטת מדיסקת הספיחה על הסביבה. קרינה כזו יכולה "לנקות" את הגלקסיה מענני הגז מהם נוצרים כוכבי הגלקסיה וכך להגביל ואפילו לעצור את התפתחותה. "מדידה מדויקת יותר של מסת החור השחור תאפשר לחשב טוב יותר את התהליך בו הפכה גלקסיה קטנה ביקום הקדום לגלקסיה ענקית ביקום הנוכחי", מסכם פרופ' נצר.

בתמונה: תיאור סכמתי של האזורים השונים ליד חור שחור פעיל. בצהוב ובאדום - דיסקת גז חם בעזרתה התבצעה מדידת המסה החדשה, וענני גז רחוקים (בצבע חום) שבאמצעותם התבצעו המדידות הקודמות (קרדיט: ריקרדו רמירז).

את המחקר הייחודי, שתוצאותיו מתפרסמות בימים אלה בכתב העת Nature Medicine, הובילו ד"ר ניר מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' יצחק פריד, גם הוא מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר וכן מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס (UCLA). 

המחקר נערך בשיתוף פעולה בינלאומי, עם חוקרי השינה פרופ' קיארה סירלי וג'וליו טונוני מאוניברסיטת וויסקונסין-מדיסון, תלמיד המחקר עמית מרמלשטיין מבית הספר סגול למדעי המוח וצוותי מחקר נוספים בפריז וב-UCLA.

"חלקים במוח נרדמו"

כדי לבדוק את המנגנון הנוירולוגי שמאחורי התגובות הלקויות בזמן חסך השינה, החוקרים ניצלו הזדמנות נדירה בה חולי אפילפסיה עוברים השתלה של אלקטרודות תוך-מוחיות, במאמץ לאתר את האזור המוחי הגורם להתקפים. למחקר התנדבו 12 מטופלים ב-UCLA, אשר אושפזו למשך שבוע בעת שהפעילות המוחית שלהם נרשמה, ובמקרים מסוימים נשארו ערים כל הלילה.

למשתתפים במחקר הוצגו תמונות של דמויות ומקומות מפורסמים, והם נתבקשו לסווג את התמונות מהר ככל האפשר, במטרה לבדוק את ערנותם. בסדרה של למעלה מ-30 ניסויים, צוות החוקרים רשם את הפעילות החשמלית של קרוב ל-1,500 נוירונים במוח.

"המחקר העלה שבזמן חסך שינה, תגובת הנבדקים לתמונות נהייתה איטית, חלשה וארוכה מהרגיל", מסביר פרופ' פריד. "הצלחנו להראות שבזמן הזה, גם תגובות של נוירונים בודדים באונה הטמפורלית - אזור המקושר עם תפיסה ראייתית וזיכרון - השתנו כתוצאה מהעייפות".

"חשוב להדגיש שמעידות אלו אינן תוצאה של מיקרו-שינה, המלווה בעצימת עיניים, מה שנקרא אצלנו 'התעפצות'", מוסיף ד"ר ניר. "כאן הנבדקים הישירו מבט לתמונה, בשעה שחלקים ספציפיים במוח שלהם פשוט נרדמו".

למדוד עייפות ולמנוע תאונות

המבט הייחודי לגבי פעילות המוח האנושי, שהתאפשר במחקר זה, חושף כיצד חסך שינה משפיע לא רק על תהליכים של קבלת החלטות ושליטה על שרירים, אלא גם על תהליכים מוקדמים של זיהוי אובייקטים, תפיסה וזיכרון. ככזה, המחקר מהווה בסיס עתידי למדידת עייפות בכבישים.

"כשאנו עייפים, גלי מוח דמויי-שינה 'פולשים' לפעילות המוח הער בזמן שאנחנו מבצעים משימות, הרבה לפני שאנחנו נרדמים ממש, או סתם עוצמים את העיניים", מסכם ד"ר ניר. "מאחר שהנהיגה בזמן עייפות מסוכנת ממש כמו נהיגה בשכרות, אנחנו מקווים שהמחקר החדש ישמש כבסיס למדידה אובייקטיבית של גלי השינה המתעצמים, כמו 'הינשופים' שמודדים את ריכוז האלכוהול בדם – לפני שהעייפות הזאת הופכת למסכנת חיים".

לכן, כאשר פרופ' מארק קרלינר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב ועמיתו ג'ונתן רוזנר מאוניברסיטת שיקגו, הצליחו לחשב את כמות האנרגיה שעשויה להיווצר מהיתוך של סוגים שונים של קווארקים – חלקיקי יסוד שהם מאבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר ביקום, ומצאו כי היא עשויה להיות גדולה פי 10 מהאנרגיה שנוצרת בהיתוך גרעיני, לא פלא שהם שקלו לשמור את התגלית שלהם בסוד.

"היתוך גרעיני הוא תהליך מוכר, שבו מתמזגים גרעיני אטומים ופולטים אנרגיה. התהליך מתרחש באופן טבעי בליבות כוכבים ביקום, כמו השמש שלנו, ולמצער בני האדם למדו לנצל אותו בפצצות מימן." מסביר פרופ' מארק קרלינר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. "כיום נעשים ניסיונות להשתמש בתהליך זה לייצור אנרגיה בכורי היתוך גרעיני, אך ניסיונות אלה טרם הבשילו לרמה תעשייתית. במקביל, מדענים שואלים כבר זמן רב אם קיים גם היתוך בין חלקיקים זעירים יותר: חלקיקי יסוד הקרויים קווארקים, המהווים אבני בניין בסיסיות של החומר ביקום. שני סוגי הקווארקים הקלים ביותר מרכיבים את הפרוטונים והנויטרונים המצויים בתוך גרעיני האטומים. קווארקים אחרים, כבדים יותר, מרכיבים 'בני דודים' של הפרוטון והנויטרון, המכונים באריונים."

לפני חודשים אחדים גילו פיזיקאים ניסיוניים, במאיץ החלקיקים CERN הסמוך לג'נבה שבשווייץ, חלקיק מסוג חדש - באריון המכיל שני קווארקים כבדים מהסוג הקרוי 'קסום' (charm) וקווארק קל אחד. המסה של החלקיק החדש תואמת במדויק   חישוב תיאורטי שביצעו פרופ’ קרלינר ושותפו פרופ' רוזנר כבר בשנת 2014. התגלית הניסיונית, המאשרת את החיזוי התיאורטי, עוררה הדים רבים בקהילה המדעית בעולם.

כוחה של נוסחה

פרופ' קרלינר ופרופ' רוזנר הבינו כי המדידה המדויקת של מסת החלקיק בעל שני הקווארקים 'הקסומים' מאפשרת להם לראשונה לדמות תהליך של היתוך ברמת הקווארקים, ולחשב את תוצאותיו. "חישבנו מה קורה כשבאריון מהסוג שהתגלה במאיץ נוצר מהיתוך של שני באריונים שכל אחד מהם מכיל קווארק 'קסום' אחד," אומר פרופ' קרלינר. "בהיתוך כזה הקווארקים למעשה נארזים בצורה יעילה יותר. שני הקווארקים הכבדים, שקודם לכן היו נפרדים לחלוטין, נקשרים זה לזה בקשר חזק ביותר, ולכן נפלטת אנרגיה רבה. בלשון אחרת, אריזה יעילה יותר של קווארקים בתוך באריונים משחררת אנרגיה, בדיוק כשם שאריזה יעילה יותר של פרוטונים ונויטרונים משחררת אנרגיה בתהליך היתוך גרעיני רגיל."

"בהינתן המסה של החלקיקים המעורבים, לפני ואחרי ההיתוך, ניתן לחשב במדויק את כמות האנרגיה הנפלטת, בעזרת הנוסחה הידועה של אלברט איינשטיין, e=mc²." החישוב הראה שכמות האנרגיה הנפלטת בהיתוך בין שני באריונים בעלי קווארק 'קסום' היא 12 מיליון אלקטרון-וולטים, כמות דומה לזו הנפלטת בהיתוך גרעיני בין שני איזוטופים כבדים של מימן.

בהמשך ביקשו החוקרים לחשב מה יתרחש בהיתוך של שני קווארקים כבדים יותר - קווארקים מהסוג 'התחתון' (bottom), הכבדים פי 3 מקווארקים 'קסומים'. מכיוון שהתברר כי הם חזו במדויק את המסה של באריון בעל שני קווארקים 'קסומים', הם הסתמכו כעת על חיזוי נוסף, מאותו מאמר מ-2014, לגבי מסה של באריון בעל שני קווארקים 'תחתונים'. החישוב העלה כי כמות האנרגיה שתיפלט במקרה כזה גדולה כמעט פי 10 מזו הנוצרת בהיתוך גרעיני.

צפירת הרגעה

"חשוב להדגיש שלמרות שהממצאים שלנו עוררו עניין רב מבחינה תיאורטית, אין להם כל יישום מעשי," מסכם פרופ' קרלינר. "היתוך גרעיני המתרחש בכור, או להבדיל, בפצצת מימן, הוא תגובת שרשרת במצבור של חלקיקים רבים, וכך נוצרת כמות עצומה של אנרגיה. דבר כזה אינו אפשרי בהיתוך של קווארקים כבדים, פשוט מפני שלא ניתן לצבור את 'חומר הגלם' לתהליך ההיתוך. הקווארקים הכבדים מתפרקים עשירית פיקו-שנייה (*10^-13 שנייה) לאחר שנוצרו. אילו חשבנו לרגע שלגילוי שלנו יש יישום מסוכן כלשהו, לא היינו מפרסמים אותו."

את הטכנולוגיה המעניינת והייחודית הזו פיתחה הדר אלאור, דוקטורנטית בבית הספר להנדסת חשמל, בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, בהדרכת פרופסור דניאל כהן-אור מבית הספר למדעי המחשב. 

התוכנה מאפשרת הקלטה של הבעות פנים ומימיקות שונות, החל משמחה, הפתעה, כעס, חיבה ואכזבה, והטמעה של הבעות אלה בתמונת יעד, עד לכדי יצירת סרטון אנימציה. 

הפרויקט החדשני, בשיתוף שני חוקרים נוספים מפייסבוק (ד"ר יוהאנס קופף וד"ר מיכאל פ. כהן), זכה בשבוע שעבר לחשיפה באתרים בינלאומיים, בהם גם ה-BBC NEWS.

האתגר - אנימציות פנים אמינות

"המחקר עוסק בהנפשת פנים מתמונה בודדת", מסבירה אלאור, שעבודת הדוקטורט שלה מתמקדת בגרפיקה ממוחשבת ואנימציה. "הצלחנו לייצר אנימציות שונות שבהן הפנים בתמונה מחייכות, כועסות, ובאופן כללי מביעות הבעות שונות".

"זהו אחד התחומים החשובים בגרפיקה. מכל האובייקטים שניתן להנפיש ולהחיות, כנראה שפנים של בני אדם הן המעניינות והנחקרות ביותר. רצינו לייצר אנימציות אמינות - בעיה מאתגרת כיוון שבני אדם מאוד רגישים להבעות פנים, ושינויים קלים בלבד יכולים ליצור אפקט לא אמין".

בשלב הזה מאפשרת התוכנה הנפשה של תמונות דו-מימד בלבד, אך בהמשך, מבטיחה אלאור, ניתן יהיה לשלב את הטכנולוגיה הזו עם מציאות מדומה (virtual reality) ולייצר דמות תלת מימדית שמביעה רגשות מתמונה בודדת.

אתרוג, הדס, לולב וערבה - כל ילד וילדה מכירים אותם ונהנים להתפלפל ולומר מי מהם ניחן בטעם ובריח נהדרים, מי מהם חסר ריח או חסר טעם ומי מהם נטול ריח וטעם כאחד, והם ללא ספק האושפיזין המכובדים ביותר בסוכה שלנו. כבר בתורה, אנו מצווים בחג הסוכות על נטילת ארבעת המינים: "וּלְקַחְתֶּם לָכֶם בַּיּוֹם הָרִאשׁוֹן פְּרִי עֵץ הָדָר כַּפֹּת תְּמָרִים וַעֲנַף עֵץ-עָבֹת וְעַרְבֵי-נָחַל וּשְׂמַחְתֶּם לִפְנֵי יְהוָה אֱלֹהֵיכֶם שִׁבְעַת יָמִים" (ויקרא כג 40). לדברי ד"ר דפנה לנגוט מהחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהארט, "מצווה זו כוללת הפנייה לשני מינים ידועים וברורים של צמחים - כַּפֹּת תְּמָרִים וְעַרְבֵי-נָחַל, אך החוקרים התקשו להחליט האם ההפנייה ל"פְּרִי עֵץ הָדָר" ול"עֲנַף עֵץ-עָבֹת" מכוונת למינים מוגדרים או להוראה כללית."

פרי הדר: שם תואר או שם עצם?

השבעים שתרגמו את חמשת חומשי תורה ליוונית במאה השלישית לפנה"ס, תרגמו את הפסוק על "פְּרִי עֵץ הָדָר" בזיקה לתואר הפרי, שצריך להיות נאה והדור, בדומה למשתמע מהפסוק שבמקרא. בתיאור חג הסוכות בספר נחמיה, ומעט מאוחר יותר בספר מקבים (מאה שנייה לפנה"ס), הצירוף "פְּרִי עֵץ הָדָר" אינו נזכר כלל. מספר חוקרים הבינו מן הצירוף "פְּרִי עֵץ הָדָר", שיש להביא מינים שונים של פֵּרות מהודרים, שזו גם המסורת השומרונית היום, ואפילו שכפות התמרים, ענף עץ עבות וערבי הנחל צריכים להיות מהודרים. בתרגום השבעים נכתב "פרי עץ הדור", אבל בתרגומים מאוחרים ממנו, לאחר המאה הראשונה לספירה, כבר נזכר האתרוג בשמו המפורש בדרך כלל בתוספת תואר שנועד לתרגם את ה"הדר".

מתי האתרוג נכנס לתמונה?

"במאה הראשונה לספירה החלה פרשנות חדשה שעיקרה זיהוי מפורש של מיני הצמחים הנזכרים בויקרא עם ארבעה סוגי צמחים מוגדרים: תמר, ערבה, אתרוג והדס," מסבירה ד"ר לנגוט. "התקבעותו של האתרוג במסורת סוכות במאה הראשונה לספירה אינה רק טקסטואלית אלא גם ויזואלית. האתרוג מופיע לצד הלולב במטבעות החל מהשנה הרביעית למרד הגדול (ניסן 69 – אדר 70 לספירה) ועל מטבעות מימי מרד בר-כוכבא (136-132 לספירה). עם זאת, בעוד ההדס, התמר והערבה גדלים בר במחוזותינו, האתרוג אינו יליד האזור."

א. אתרוגים משני צדיו של לולב, המרד הגדול (ניסן 69 – אדר 70 לספירה); ב. אתרוג לצד לולב, מרד בר כוכבא (132-136 לספירה). צילום: קלרה עמית, רשות העתיקות.

מסעו של האתרוג לארץ הקודש

לדברי ד"ר לנגוט, "מוצאו של האתרוג במזרח הודו ודרום סין והוא אחד משלושת האבות הקדמונים של מיני ההדרים לצד הפומלה והמנדרינה. כל שאר מיני פירות ההדר שאנו מכירים היום נוצרו מהכלאות של שלושת מינים אלו. השם אתרוג מרמז על מוצאו - בהינדית נקרא האתרוג טורנג', בפרסית הוא נקרא תורונג' ובהמשך אתרונג'."

"ממצא ארכיאולוגי מעניין שזוהה לפני מספר שנים בחפירות בקיבוץ רמת רחל שליד ירושלים, שופך אור על מועד הגעתו של האתרוג למרחב הארץ-ישראלי ועל ראשית גידולו ביהודה. ברמת רחל חשפו הארכיאולוגים פרופ' עודד ליפשיץ וד"ר יובל גדות מאוניברסיטת תל אביב, מכלול של גן מלכותי סביב לחזיתו של ארמון גדול ומפואר. במחקר שערכה ד"ר דפנה לנגוט באחת מברֵכות המים שבגן מלכותי זה, המתוארכת למאות החמישית והרביעית לפנה"ס, הצליחה לזהות גרגרי אבקה מאובנים של אתרוג שנשתמרו בטיח של הברֵכה."

זיהויים של גרגרי אבקה מאובנים איפשר לשחזר במדויק את מרכיביו הבוטניים של גן מפואר זה. מאסף גרגרי האבקה שתועד מורכב מצמחים האופייניים לחורש הים-תיכוני ומעצי פרי תרבותיים וצמחים המשמשים לקישוט בגינות נוי, ביניהם גם ערבה והדס. כמה מן העצים שזוהו לא גדלים בר באזורנו אלא יובּאו ממרחק, כגון אגוז מלך וארז הלבנון, וביניהם האתרוג, שהינו ללא ספק הממצא המפתיע ביותר בגן המלכותי שברמת רחל. זאת העדות הארכאו-בוטנית הקדומה ביותר לגידולו של אתרוג במרחב הארץ-ישראלי בפרט ובאגן הים התיכון בכלל."

אז איך בכל זאת הפך האתרוג המיובא לאחד מארבעת המינים שלנו?

"נראה כי מהגן המלכותי בקיבוץ רמת רחל בו ישב נציגה של האימפריה הפרסית (ששלטה במחוזותינו לפני כ-2500 שנים), זלג רעיון גידול האתרוג אט אט אל המסורת היהודית," משיבה ד"ר לנגוט. "הוא החל את דרכו כמוצר אקזוטי המופיע לראשונה בגינות פאר (כמאתיים שנים מאוחר לגן ברמת רחל החלו להופיע לראשונה שרידי אתרוג גם בגינות הנוי של עשירי רומא ופומפי), ובשלב מסוים, ככל הנראה סביב המאה הראשונה לספירה, התקבע במסורת היהודית כאחד מארבעת המינים אותם אנו מצווים ליטול בחג הסוכות, ביחד עם הערבה, ההדס והלולב."

שני אתרוגים לצידי המנורה בפסיפס הנהדר מבית הכנסת העתיק במעון, מאה שישית לספירה. צילום: קלרה עמית, רשות העתיקות