מחקרים

"חורים שחורים ענקיים, שכבדים פי מיליון ועד פי מיליארד מהשמש שלנו, שוכנים במרכזן של רוב הגלקסיות ביקום," מסביר ד"ר טרכטנברוט, שיחד עם ד"ר יאיר הרכבי וקבוצת החוקרים שלהם מהחוג לאסטרופיזיקה בבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר גילו מנגנון חדש לחלוטין, האחראי לגדילה מואצת של חורי ענק שחורים.  

"במרכז גלקסיית שביל החלב שבה אנחנו חיים למשל, שוכן חור שחור ענק בעל מסה של 4 מיליון מסות שמש. למרות שכיחותם, עד היום עדיין לא היה ברור כיצד חורים שחורים כאלו גדלים למסות כל כך גדולות. ייתכן שהממצאים החדשים יכולים להסביר איך זה קורה". מחקרם המשותף עם פרופ' חגי נצר, גם הוא מהחוג לאסטרופיזיקה, יחד עם צוות חוקרים מרחבי העולם (ארה"ב, צ'ילה, פולין ואנגליה) התפרסם בכתב העת Nature Astronomy.

ללכת בעקבות האור

"בעבר זוהו מספר אירועים דרמטיים בהם חורים שחורים 'בולעים' כוכב או חומר אחר הנמצא בסביבתם, וגדלים בדרך זו", מסביר ד"ר הרכבי ומוסיף "כשצפינו באירוע האסטרונומי בעל השם הקליט AT 2017bgt, שנצפה בשנת 2017, נתנו תחילה גם לו את הפרשנות הזו, אך נתונים שונים גרמו לנו לחשוד שהפעם מדובר בתהליך שונה ובלתי מוכר" .

החוקרים עקבו אחר האירוע במשך למעלה משנה בעזרת טלסקופים שונים, על הקרקע ובחלל, כולל הטלסקופ החדש NICER, שמותקן בתחנת החלל הבינלאומית, והטלסקופ האולטרה-סגול שעל גבי הלוויין Swift, וביססו את ההנחה שהוא אינו דומה לשום דבר שנצפה בעבר.

הרמז הראשון לחריגותו של האירוע היה רכיב אור נוסף, שנראה כמעין קווי פליטה עשויים יוני חמצן, חנקן והליום, ואינו אופייני לאירועים מוכרים של בליעת כוכבים. תצפיות אלה של החוקרים תאמו לתחזיות תיאורטיות של פרופ' נצר. "עוד בשנות ה-80 חזינו תהליך שבו חור שחור בולע גז שנמצא בסביבתו ויכול להוביל לרכיבי האור שנצפו. המחקר החדש מהווה את הגילוי הראשון של התהליך בפועל," מסביר נצר.

עוד הם גילו כי עוצמת הקרינה הבוקעת מסביבת החור השחור גדלה פי יותר מ-50 בתוך זמן קצר ביותר - ככל הנראה חודשים ספורים בלבד.

המנגנון לקצב גידול מואץ - ביסים גדולים

לאחרונה זיהתה קבוצת החוקרים שני אירועים נוספים בהם חורים שחורים נראים כ"נדלקים", תוך שהם פולטים אור באופן דומה לזה שנצפה באירוע AT 2017bgt. שלושת האירועים מהווים סוג חדש ומסקרן של 'הזנה' מואצת של חורים שחורים, באופן שלא היה מוכר קודם.

"אנחנו עדיין לא בטוחים מה גורם לחורים השחורים האלה להאיץ את קצב הגידול שלהם באופן דרמטי ופתאומי כל כך", אומר ד"ר טרכטנברוט. "ישנם מנגנונים רבים להאצת קצב הגידול של חורים שחורים, אבל רובם מתרחשים על פני תקופות ארוכות הרבה יותר".

כעת משיקים החוקרים פרויקט שמטרתו לגלות עוד אירועים כאלו ולעקוב אחריהם בעזרת מספר רב של טלסקופים. "רק כך נוכל למפות את מכלול הדרכים בהן חורים שחורים בולעים חומר, להבין מה מעורר אותם לעשות זאת ואולי לפתור סוף סוף את חידת היווצרותן של 'המפלצות' האלה, השוכנות במרכזי גלקסיות״, מסכם ד"ר הרכבי.

במחקר שנערך במעבדתה של פרופ' נועה שנקר מבית הספר לזואולוגיה של אוניברסיטת תל אביב ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט נדגמו חסרי חוליות מסוג איצטלנים מתשעה אתרים לאורך חופי ישראל, בים התיכון ובמפרץ אילת. בדגימות מכל החופים נמצאו בגופם של האיצטלנים חלקיקי מיקרו-פלסטיק שגודלם קטן מחמישה מילימטרים, ובבעלי חיים ממי חופים רבים נמצאו גם כימיקלים מסוג פתאלטים, שמשמשים את תעשיית הפלסטיק ועלולים לגרום למגוון נזקים כולל שיבושים הורמונליים. המחקר, בהובלת הדוקטורנטית גל ורד מבית הספר לזואולוגיה, ובשיתוף פרופ' דרור אבישר ואביב קפלן מבית הספר לסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר, התפרסם בכתב העת Marine Pollution Bulletin.

"בסביבה הימית מתפרקים מוצרי הפלסטיק לחלקיקים זעירים המכונים מיקרו-פלסטיק, שגודלם נע מכמה עשרות מיקרונים (מיקרון = מיליונית המטר) ועד חמישה מילימטרים, כך שאת רובם לא ניתן לראותם בעין," מסבירה פרופ' שנקר. "בנוסף, הם משחררים למים כימיקלים שונים המשמשים את תעשיית הפלסטיק להקניית מגוון תכונות למוצריה – כמו גמישות, חוזק, צבע ועוד, אך עלולים לגרום נזקים שונים וקשים ליצורים חיים, כמו למשל שיבושים הורמונליים. אנחנו ביקשנו לבחון את רמת זיהום הפלסטיק שמגיעה לחיות ימיות לאורך חופי ישראל, ומכאן להסיק לגבי חומרת הזיהום במים." 

לראשונה בעולם במחקר מסוג זה נעזרו החוקרים בבעל חיים חסר חוליות בשם איצטלן, שנפוץ בכל בתי הגידול הימיים בעולם, ומתאים במיוחד למחקר מסוג זה: זהו בעל חיים ישיב שנצמד לסלע ואינו זז ממקומו כל ימי חייו. הוא ניזון על ידי סינון של עשרות ליטרים של מי ים מדי יום, וכשהמים מזוהמים, מצטברים בגופו גם המזהמים. לכן בדיקה של איצטלנים שנלקחו מחוף מסוים נותנת תמונה אמינה ביותר על מצב הזיהום ורמת הבריאות הסביבתית באותו אתר. במונחים מדעיים מהווים האיצטלנים סמנים ביולוגיים של איכות הסביבה הימית. בנוסף, קבוצה זו של חסרי חוליות היא הקרובה ביותר מבחינה אבולוציונית לחולייתנים (דוגמת בני האדם), ולכן היא מהווה מערכת מודל נפוצה למחקר.

פסולת פלסטיק על גבי מלפפון ים בשונית האלמוגים באילת (צילום: גיארמו בן-נעים אנדרסון)

תוצאות מדאיגות בחופי הרחצה האהובים

לצורך המחקר דגמו החוקרים איצטלנים מתשעה אתרים שונים, בהם נמלים, חופי רחצה ושמורות טבע. שבעה מהאתרים פרוסים לאורך חוף הים התיכון, מצפון עד דרום: שמורת אכזיב, נמל עכו, מכמורת, הרצליה, בת ים, הפארק הלאומי פלמחים והפארק הלאומי אשקלון; ושניים נמצאים בים סוף: המרינה באילת וריף הדולפינים. לאחר מכן הם בדקו במעבדה את כמות חלקיקי המיקרו-פלסטיק בכל פרט; בנוסף, באמצעות שיטת אנליזה כימית חדשה ומדויקת ביותר, שפותחה במרכז לחקר המים בראשות פרופ' אבישר, הם חיפשו באיצטלנים שרידים של תוספי פלסטיק מסוג פתאלטים המעניקים גמישות למוצרים, ועלולים לגרום לשיבושים הורמונליים ולמגוון נזקים אחרים אצל בעלי חיים ובני אדם. והתוצאות צריכות להדאיג את כולנו.

"בכל האתרים שבדקנו מצאנו איצטלנים עם חלקיקי מיקרו-פלסטיק, ובמרבית האתרים מצאנו גם תוספים תעשייתיים מסוג פתאלטים," אומרת החוקרת גל ורד. "חשוב לציין שלא תמיד נמצא קשר ברור בין ייעודו של החוף (נמל, חוף רחצה, פארק לאומי), ורמת הזיהום הגלויה לעין, לבין הממצאים שלנו. לדוגמה: בהשוואה בין שני חופי רחצה קרובים, בעלי רמת ניקיון דומה לכאורה, נמצא באחד ריכוז גבוה של פתאלטים, בעוד שבשני כמעט שלא היו פתאלטים כלל. ריף הדולפינים באילת הצטיין בהיעדר כמעט מוחלט של תוספי פלסטיק, אך לעומת זאת, הצטערנו לגלות רמות גבוהות של תוספי פלסטיק בחופי רחצה שרבים מאיתנו נוהגים לפקוד עם ילדינו."

"המחקר שלנו מדליק נורה אדומה לכל הציבור בישראל," מסכמת פרופ' שנקר. "גם אם לא תמיד ניתן לראות זאת בעין, הממצאים מראים שהחופים שלנו מזוהמים במיקרו-פלסטיק ובכימיקלים שמקורם במוצרי פלסטיק. פלסטיק הוא חומר שיצר האדם לשימושו, והוא נמצא בשימוש רחב ביותר, אך הוא יכול להיות מסוכן לסביבה וגם לנו. לכן כולנו מחויבים להשתמש בו באחריות. בנוסף למיחזור בקבוקים ואריזות, אנחנו קוראים לציבור, בין היתר, להפחית את השימוש במוצרי פלסטיק ובפרט במוצרים חד פעמיים. זה בידיים שלנו!"

"לפני יותר מ-50 שנה זיהה האסטרונום מרטן שמידט עצם בהיר ביותר אך רחוק מאוד מאתנו, הקוואזר הראשון 3C273", מספר פרופ' חגי נצר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, שהיה שותף לתצפית החדשה. "האנרגיה הנפלטת מעצם זה עולה עשרות מונים על האנרגיה הנפלטת מגלקסיית שביל החלב כולה, על כל 100 מיליארד הכוכבים שבה. למעשה, האנרגיה כה גדולה, עד שהדרך היחידה לייצרה היא על ידי הפיכת אנרגיית כבידה לחום, כלומר על ידי זרימה של כמויות גדולות של גז לתוככי חור שחור ענק".

כמו למדוד מטבע המונח על הירח

כדי לצפות בדיסקת הגז הסובבת את הקוואזר 3C273, קבוצת המחקר הבינלאומית, בראשות אקהרד שטורם (Eckhard Sturm) וג'ייסון דקסטר (Jayson Dexter) ממכון מקס פלנק בגרמניה, השתמשה במכשיר חדש הנקרא GRAVITY. מדידות כאלה לא היו אפשריות עד עתה בגלל גודלו הזעיר של האזור בו נע החומר, בערך כגודלה של מערכת השמש, ומרחקו האדיר מאתנו – 2.5 מיליארד שנות אור. אולם GRAVITY מאפשר לחבר ארבעה טלסקופים ענקיים, כל אחד בקוטר של 8 מטרים, הנמצאים במצפה האירופאי הדרומי בצ'ילה, לכדי מערך הקרוי אינטרפרומטר שהוא בעל יכולת הפרדה השקולה לזו של טלסקופ יחיד בקוטר של 130 מטרים.

ההפרדה הזוויתית שמתקבלת מהמכשיר היא של 10 מיקרו-שניות קשת (החלק ה-100,000 של שניית קשת שהיא 1/3600 ממעלה של קשת). "יכולת הפרדה כזאת שקולה ליכולת למדוד מכדור הארץ את קטרו של מטבע של שני שקלים המונח על הירח", אומר פרופ' נצר.

לפי תנועת ענני הגז

יצוין כי מדידות מסוג שונה לחלוטין של אותם ענני גז, המתבססות על שינויים מהירים בעוצמת האור של קוואזרים, מתבצעות זה שנים. לדברי פרופ' חגי נצר, המדידות הראשונות של 3C273 בשיטה הקודמת נערכו במצפה הכוכבים ע"ש וייז באוניברסיטת תל אביב, ופורסמו בשנת 2000 בעבודת הדוקטור של שי כספי (כיום חוקר באוניברסיטת תל אביב), שעבד בהנחייתו של פרופ' נצר.

"השיטה החדשה, והמדויקת יותר, מאפשרת לקבוע תכונות רבות, כגון גודלו המדויק של האזור, כיוון התנועה של ענני הגז סביבו ואת מסתו המדויקת של החור השחור במרכז", אומר פרופ' נצר. "בעצם אנחנו מסתמכים כאן על חוקי קפלר. כפי שמודדים את מסת השמש לפי מהירות סיבוב כדור הארץ סביב השמש ומרחקו ממנה, כך מדדנו את מסת החור השחור לפי תנועת ענני הגז סביבו, והגענו ל-300 מיליון מסות שמש – תוצאה שהיא בהתאמה טובה לתוצאות שהתקבלו במצפה וייז".

ריינהרד גנזל (Reinhard Genzel) ממכון מקס פלנק, העומד בראש קבוצת המחקר אשר בנתה את המכשיר החדש, מציין את היכולת ליישם בעזרת GRAVITY שיטות שפותחו לחקר החור השחור במרכז גלקסיית שביל החלב לחורים שחורים בגלקסיות נוספות. "קבוצת המחקר עובדת היום על חמישה או שישה גופים אחרים בעלי תכונות דומות", מגלה פרופ' נצר. "בהמשך נבקש לקבל עוד זמן תצפית, ואני מאמין שאחרי מספר שנים נוכל להכליל את התוצאה גם לחורים שחורים קטנים יותר, גדולים יותר ורחוקים יותר, כלומר עתיקים יותר".

"רקמות גופנו מורכבות מתאים ומחומר חוץ-תאי, המקשר ביניהם מבחינה ביוכימית, מכנית וחשמלית",  מסביר פרופ' טל דביר מהפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס. וייז באוניברסיטת תל אביב, שהוביל את המחקר. "נכון להיום, לשם הנדסת רקמות משתמשים בחומר חוץ-תאי ממקור סינטתי או ביולוגי. החומר שנחשב לטוב ביותר לצורך השתלות נלקח מרקמות חזיר. בתהליך ההינדוס מוציאים את כל תאי החזיר, ובביו-חומר שנותר מגדלים תאים של בני אדם, אלא שאנו הראינו שחומר זה גורם לתגובה חיסונית חריפה, אשר עלולה לגרום לדחיית השתל".

כדי למצוא פתרון לבעיה, פרופ' דביר וצוותו השתמשו ברקמות שומניות של בני אדם. "תחילה הסרנו בניתוח זעיר פולשני רקמה שומנית מהחולה, הפרדנו את תאי השומן מהחומר החוץ-תאי וייצרנו ממנו ג'ל מותאם אישית לאדם זה", אומר פרופ' דביר. "בשלב השני 'תוכנתו מחדש' תאי השומן לתאי גזע פלוריפוטנטים, שיכולים להתמיין לכל תא בגוף שנבחר. כך הצלחנו לייצר רקמה לתיקון פציעות בחוט שדרה, לטיפול בשריר לב פגום, רקמה עצבית לחולי פרקינסון ורקמת שומן לניתוחי שחזור. כיוון שמקור הרקמות הוא מהחולה עצמו, הן לא יעוררו תגובה חיסונית", מדגיש פרופ' דביר. הטכנולוגיה כבר נבדקה בהצלחה על בעלי חיים ועל תאי מערכת החיסון של בני אדם.

התחזית: רפואה מותאמת אישית

פרופ' דביר מדגיש את המחיר הכבד שמשלמים היום חולים שעוברים השתלת רקמות שמקורן בבעלי חיים. "גם אם ההשתלה עוברת בהצלחה, המושתל עדיין צריך להמשיך ליטול, לפעמים למשך כל חייו, תרופות המדכאות את המערכת החיסונית, וכך הוא נותר חשוף ופגיע למחלות אחרות. רפואה מותאמת אישית היא העתיד. אמנם תהליך ההשתלה יהיה יקר יותר, לפחות בשנים הראשונות, אבל ברור שעדיף לבצע השתלה אחת מוצלחת, ללא כל חשש מתגובה חיסונית".

לאור ההצלחה הראשונית בודקים כעת פרופ' דביר וצוותו אפשרויות שונות להנדסת רקמות ועזרים רפואיים נוספים משומן חולים. בין החוקרים שפיתחו את הטכנולוגיה: ד"ר ראובן אדרי והדוקטורנטים עידן גל ונדב נור, בסיוע פרופ' דן פאר ופרופ' עירית גת ויקס מהמחלקה לחקר התא ואימונולוגיה, פרופ' דורון שבת מבית הספר לכימיה ופרופ' ליאור הלר מהמרכז הרפואי אסף הרופא.

"אנחנו כבר יודעים להנדס כמעט כל רקמה אפשרית, אבל לפנינו עוד דרך ארוכה", מסכם פרופ' דביר. "כבר הראינו שיפור לאחר השתלת הרקמה בחיות שעברו התקף לב ובחיות עם נזק לחוט השדרה, ובימים אלה אנחנו עובדים על הוכחת היכולת של שתלים עצביים המפרישים דופמין לטיפול במחלת הפרקינסון. עד היום הסברה הייתה שרקמות מחומר חוץ-תאי של חזירים בטוחות לשימוש, ולכן השימוש בהן היה נרחב במיוחד. כעת נוכל לייצר את כל העזרים הרפואיים כמו רשתות לבקע בטני ואפילו שסתומים ללב מהחולה עצמו, ובכך להימנע מסיבוכים הנובעים מדחיית השתל".

"לחלקיקים הננומטריים האלה, שאנו מהנדסים במעבדה, יש במקרים רבים תכונות אופטיות חדשות, שונות מתכונותיהם של החומרים כפי שאנו מכירים אותם בטבע. חומרים מהונדסים כאלה מכונים מטא-חומרים." מסביר ד"ר חיים סוכובסקי מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. "לדוגמה, חלקיקי זהב או כסף יכולים לקבל צבע אחר, כמו אדום או כחול." לדבריו, עובדה זו נוצלה כבר לפני מאות שנים על ידי אמנים שיצרו את חלונות הוויטראז' הצבעוניים בכנסיות ברחבי אירופה: הם נהגו לערבב אבקת כסף בזכוכית מומסת, שהעניקה לתערובת תכונות אופטיות חדשות וזווית פגיעה שונה של האור, וכך השיגו את הצבעים המרהיבים. "מובן שהם לא הבינו אז את ההיבט המדעי של הפעולה, אשר פוענח רק לפני כ-20 שנה."

החוקרים במעבדה לננו-פוטוניקה של ד"ר סוכובסקי מהנדסים מבנים ננומטריים כדי להשיג תכונות רצויות שהוגדרו מראש. אחת התופעות המסקרנות שניתן ליצור בדרך זו נשמעת כמו משהו מספרי פנטזיה בסגנון "הארי פוטר" -  'גלימת היעלמות', שמעלימה לגמרי את המבנה. עם זאת, כפי שמסביר ד"ר מיכאל מרג’ן שהשתתף במחקר, "מלאכת ההינדוס הייתה עד היום מלאכה 'סיזיפית' של ניסוי וטעייה ידניים, שאורכת שבועיים במקרה הטוב. חיפשנו דרכים לזרז את התהליך כדי שהטכנולוגיה תהיה ידידותית וזמינה יותר, הן למטרות מחקר והן ליישומים בתחומים מגוונים."

למידה עמוקה של ננו-חלקיקים

מפגש פורה בין הפיזיקאים, בהובלת ד"ר חיים סוכובסקי, לבין אנשי מדעי המחשב המתמחים בלמידה עמוקה, בהובלת פרופ' ליאור וולף, הוביל לפריצת הדרך המיוחלת. החוקרים פיתחו יחד שיטה חדשנית, מדויקת ומהירה במיוחד לזיהוי תכונות אופטיות של מבנים ננומטריים. "למידה עמוקה (Deep Learning) היא תחום של למידת מכונה (Machine Learning), שנמצא היום בהתפתחות מואצת," מסביר פרופ' וולף. "מדובר ברשתות נוירונים מלאכותיות בעלות מספר רב של שכבות, אשר מסוגלות ללמוד בצורה יעילה מכמות גדולה מאוד של נתונים, ולהכליל לדוגמאות חדשות, ששונות בצורה מהותית מהדוגמאות שנראו בזמן האימון."

לדבריו, "התחום של אינטיליגנציה מלאכותית נהנה מפריחה מחודשת בשנים האחרונות בזכות התפתחות הלמידה העמוקה. תחומים כגון זיהוי תמונה, זיהוי דיבור, תרגום אוטומטי וכדומה מפותחים היום הרבה יותר מאשר היו רק לפני מספר שנים. סטודנט הכיר ביני לבין ד"ר סוכובסקי, וכמעט מיד יצאנו לבדוק את ההשערה, שבאמצעות למידה עמוקה נוכל לתכנן ביעילות ננו-חלקיקים ולצפות את תכונותיהם האופטיות הייחודיות." במחקר השתתפו גם אחיה נגלר ואורי אריאלי מבית הספר לפיזיקה ואיציק מלכיאל מבית הספר למדעי המחשב. המאמר התפרסם בספטמבר 2018 בכתב העת Light: Science & Applications מקבוצת Nature.

תשובה מדויקת בתוך מאית שנייה

כדי ללמד את הרשת לבצע את הזיהוי המבוקש הזינו החוקרים לתוכה נתונים על 15,000 מבנים גיאומטריים זעירים מוכרים ותכונותיהם האופטיות. הרשת למדה לשייך בין המבנה הגיאומטרי לתכונות, והתוצאות מבטיחות ביותר: במקום עבודה ידנית ממושכת, מתקבלת מהמחשב תשובה מדויקת בתוך מאית השנייה! יתרה מכך, השיטה החדשה פועלת היטב בשני הכיוונים: אם מציגים למחשב רשימת תכונות אופטיות, הוא מתאר מיד את המבנה הזעיר שיספק את התכונות הללו; ואם, לחלופין, מציגים לו מבנה קיים, הוא מפענח מיד את תכונותיו.

"חיברנו בין שני עולמות, ננו-פוטוניקה ולמידה עמוקה, ופיתחנו שיטה חדשה בעלת פוטנציאל יישומי כמעט אינסופי בתחומים רבים," מסכם ד"ר סוכובסקי. "חוקרי סרטן, לדוגמה, יוכלו לתכנן באמצעותה נשאי תרופות זעירים שיזהו במדויק תאים סרטניים בגוף, על פי תכונותיהם האופטיות הייחודיות; בתעשיית האלקטרוניקה ניתן יהיה לאתר פגמים בשבבים אלקטרוניים – על ידי העברת קרן אור דרך השבבים וזיהוי תכונותיו האופטיות של שבב תקין מול חריגות; בתחום האנרגיה נוכל לתכנן תאי שמש ולשפר משמעותית את קליטת האנרגיה הסולרית; וחיישנים מבוססי ננו-חלקיקים מהונדסים, שיותאמו במדויק למולקולות שונות, יוכלו לבצע ניטור סביבתי של גזים רעילים ומולקולות מים באטמוספירה, לגלות מולקולות ביולוגיות, ועוד. ואנחנו מאמינים שזוהי רק ההתחלה..."