קבוצת המחקר של וינסנט דז'אק

 

ממה עשוי היקום? כיצד נוצרו המבנים ביקום? אלו רק חלק מהרעיונות שסיקרנו את וינסנט דז'אק עוד בהיותו ילד בארץ הולדתו שוויץ. לאחר שסיים תואר שני בפיזיקה במהלכו חקר את תחום האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה, הוצב וינסנט בישראל כחלק מגיוס חובה לצבא צרפת, ובמקביל ביצע פרויקט מחקר בפקולטה לפיזיקה בטכניון בהנחיית עדי נסר. לאחר סיום השירות החליט להישאר בטכניון והשלים תואר דוקטור בפיזיקה. לאחר פוסט דוקטורט באוניברסיטה העברית ופוסט דוקטורט שני באוניברסיטת ציריך הוא המשיך לאוניברסיטת ז'נבה בה היה פרופסור חבר מספר שנים. ב2016 וינסנט חזר לסגל האקדמי בטכניון וכיום הוא חבר בקבוצת המחקר של אסטרופיזיקה וקוסמולוגיה בפקולטה לפיזיקה. "נהניתי מהאווירה בטכניון ברמה המחקרית וברמה האישית, ושמחתי לחזור לכאן ולהמשיך את עבודתי בתחום חקר הקוסמולוגיה", אומר וינסנט בעברית שוטפת.

 

קוסמולוגיה, ענף באסטרופיזיקה, הוא חקר היווצרות, מבנה, והתפתחות היקום כמכלול. אנו יכולים לתאר את היקום שלנו באמצעות הפרדיגמה הקוסמולוגית הסטנדרטית. הפרדיגמה משלבת את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, אשר מסווג את החלקיקים האלמנטריים ואת שלושה מתוך ארבעת כוחות היסוד בטבע (החלש, החזק והאלקטרו-מגנטי), יחד עם תורת היחסות הכללית המתארת את הכבידה (כוח היסוד הרביעי), ובנוסף כוללת את האינפלציה הקוסמית שהינה תנאי ההתחלה של היקום שלנו כחלק ממודל ה"מפץ הגדול". אינפלציה קוסמית הינו אירוע אשר התרחש ביקום הקדום מאוד ואשר במהלכו היקום התפשט אקספוננציאלית בזמן קצר מאוד, החל מ10-36 שניות לאחר "המפץ הגדול" ועד 10-32 שניות. המודל הקוסמולוגי של היקום מצביע גם על קיומה של אנרגיה אפלה המניעה את היקום שלנו להתרחב כיום בקצב מואץ. בנוסף, תצפיות מעידות על קיומו של חומר אפל המהווה את רוב החומר ביקום. התמונה נעשית מורכבת עוד יותר כאשר אנו מתבוננים במבנים בסקאלה גדולה ביקום.

 

וינסנט הגיע לטכניון לאחר זכיה במענק מחקר מן הקרן הלאומית למדע ב2016. מטרת המחקר היא לקבוע אילוצים תיאורטיים על היווצרות מבנים בסקאלה גדולה ביקום. הבנת התפלגות הגלקסיות תאפשר לנו לחלץ מידע על היקום המוקדם, על אופי החומר האפל ועל אופי הכבידה (האם היא באמת כפי שאיינשטיין תיאר בתורת היחסות הכללית?). המחקר נועד לבחון שתי הרחבות של המודל הקוסמולוגי. הראשונה קשורה לראיות התצפיתיות שלנייטרינים יש מסה שאינה אפס, והשנייה קשורה לאינפלציה קוסמית ולתנודות (פלקטואציות) ביקום המוקדם. שתי הרחבות אלה של המודל משאירות חתימות (השפעות קטנות) על מבנים בסקאלה גדולה ביקום.

 

נייטרינים הינם חלקיקים יסודיים המבצעים אינטראקציה דרך הכוח החלש, ניטרליים חשמלית ואמורים להיות נטולי מסה לפי המודל הסטנדרט של פיזיקת החלקיקים. נייטרינים קשורים לשלושה חלקיקים יסודיים קלים אלקטרון, מיואון וטאו, ולכן מגיעים בשלושה "טעמים" (או סוגים): נייטרינו אלקטרוני, נייטרינו מיואוני ונייטרינו טאו. השמש שלנו, למשל, מייצרת רק נייטרינים אלקטרונים כתוצר של תגובות גרעיניות בליבה. בשנות ה -60 של המאה ה-20 עלתה בעיה בתמונה הזאת כאשר ריי דייוויס הוביל ניסוי שמדד את שטף הנייטרינים האלקטרונים של השמש על פני כדור הארץ ומצא כי הוא רק כשליש מהצפוי. מאוחר יותר התברר כי נייטרינים יכולים למעשה "לשנות את טבעם" ולהתנודד קוונטית מסוג אחד למשנהו, דבר הגורם לנייטרינים אלקטרונים טהורים לשנות את הטעם שלהם ולהפוך עם התקדמותם אלינו לנייטרינים של מיואון ולנייטרינים של טאו.

 
תנודות נייטרינו ניתנות להסבר אם לפחות לשני נייטרינים יש מסה שאינה אפס ואשר שונה במעט בין טעם אחד למשנהו ("נייטרינים מסיביים" להלן). דייוויס זכה בפרס נובל לשנת 2002 בפיסיקה יחד עם מסטושי קושיבה על גילוי נייטרינים קוסמיים, וב2015 הוענק פרס נובל לארט מקדונלד עבור גילוי התנודות באמצעות מדידה של טעמי הנייטרינים הנפלטים מהשמש. הניסויים הללו מודדים את ההבדל במסה בין טעמי הנייטרינו, אבל כדי לקבל את ערך המסה המדויק עבור כל טעם נדרש סוג שני של ניסוי שייתן את סכום המסות שלהם. זה המקום שבו קוסמולוגיה נכנסת לתמונה.

 

מאחר שלנייטרינים יש מסה קטנה מאוד, פחות מ-1 אלקטרון וולט (כמעט 6 סדרי גודל פחות ממסת האלקטרון), הם יכולים בקלות להימלט מבורות פוטנציאל כבידה של גלקסיות. לאחר שהנייטרינים נמלטים, הם מקטינים את כוח הכבידה של בור הפוטנציאל מאחר שהם עצמם מסיביים. מכאן שככל שמסת הנייטרינים גדולה יותר - כך האפקט הקוסמולוגי חזק יותר. המסה הכוללת אשר מוסרת מהבור תוסיף את המידע הדרוש כדי לחלץ את המסה של כל אחד מטעמי הנייטרינו. הקבוצה בטכניון בוחנת את ההיבט התיאורטי של נייטרינים מסיביים על ידי הדמיית ההשפעה שלהם על מבנה היקום, בהתאם למסתם. מאחר ולנייטרינים מסה קטנה מאוד, ההשפעות צפויות להיות קטנות ויש צורך בבניית מודל אנליטי מדוקדק. ארז צינמן, סטודנט לתואר שני אצל וינסנט, ערך אנליזה אנליטית המבוססת על ההבנה כי נייטרינים לא מבצעים התנגשויות. הנחה זו מאפשרת לו לפשט את המשוואות המתארות את השפעתם. בשלב הבא ניתן יהיה לבחון את התחזיות האנליטיות בסימולציות שבהן תנאי ההתחלה הוא היקום מיד לאחר עידן האינפלציה, בנקודת זמן בה היקום היה אחיד עד לכדי תנודות קטנות בהתפלגות החומר והקרינה.

 

דמיטרי גינזבורג עובד כיום על מחקר הדוקטורט שלו תחת הנחיתו של וינסנט תוך התמקדות בהיבטים הקשורים להתפלגות של צבירי גלקסיות. כיצד נוצרו מבנים אלה? כיצד ניתן למדל את התפלגות הגלקסיות? מנתונים תצפיתיים אנו מחלצים את מיקום הגלקסיות, הן את המיקום הזוויתי בשמים והן את המרחק (ההסחה לאדום) של כל גלקסיה. הסחה לאדום (או היסט לאדום) היא אפקט בו אורך הגל (ותדירותו) של אובייקט משתנה עקב שילוב של אפקט דופלר (הסחה לכחול או הסחה לאדום) והתפשטות היקום. באופן כללי, ההסחה לאדום עקב התפשטות היקום משמעותית יותר במרחקים גדולים יותר וגורמת לאובייקטים אסטרופיזיקאליים רחוקים להיראות אדומים יותר. לפיכך, הערך של ההסחה לאדום הוא אינדיקציה למרחק.

 

מכיוון שהתפלגות הגלקסיות אינה רציפה אלא בדידה הנתונים "רועשים". רעש זה אינו רעש פשוט של מספרים מעטים המפוזרים באופן אקראי. הרעש למעשה תלוי מאוד במאפיינים של הגלקסיות הנסקרות, אשר מתפתחות יחד עם ההסחה לאדום. במילים אחרות, כאשר יוצרים מודל של התפלגות הגלקסיות, כדי לחלץ מידע על מסות הנייטרינו וכדומה, אנחנו צריכים גם למדל את הרעש כראוי. ניתן לבחון את המודלים התיאורטיים האלה של התפלגות הגלקסיות מול הדמיות (סימולציות) עוד לפני החלתן על נתונים אמיתיים. הקבוצה בטכניון מוציאה את המידע הדרוש מסימולציות קיימות על מנת לבנות קטלוגים של גלקסיות "מדומות" או "סינתטיות" המחקות את המאפיינים של סקרים אמיתיים. חשוב לשים לב כי מאחר והמאפיינים של קטלוגי הגלקסיות תלויים באופן משמעותי בהסחה לאדום יש לבחור בסימולציות עצמן את ההסחות לאדום על פי חלון ההסחה לאדום של הטלסקופ במהלך התצפיות בסקרים האמיתיים.

 

תעלומה קוסמולוגית נוספת אשר נחקרת בקבוצה של וינסנט היא מהו טבעם של החומר האפל. ישנו חיפוש מתמשך אחר חלקיקים מסתוריים אלה, אך הם עדיין לא אותרו. וינסנט בוחן מודל חלופי לחומר אפל הנקרא "חומר אפל אקסיוני" שבו חלקיקים יסודיים היפותטיים, הנקראים אקסיונים, עשויים להיות מרכיבים של חומר אפל. במחקר אנליטי זה, וינסנט וחוקרים נוספים נוקטים צעדים להבנת ההשפעה של אקסיונים קלים על המבנים ביקום, החל מ"סיבים" גדולים (איזורים בצפיפות גבוהה) של גז בהסחה גבוהה לאדום, ועד לאובייקטים אסטרופיזיקאליים ביקום הקרוב אלינו, כגון פולסרים בינאריים. "אני מוצא את השאלות בנוגע למה קרה ביקום המוקדם כמלהיבות ביותר, והן המניעות את יום העבודה שלי ומלוות אותי מהרגע בו אני מתעורר בבוקר ועד שאני הולך לישון. אני מאמין שבימי חיי המדעיים נפתור את החידה סביב אופי החומר האפל ונענה על שאלות פתוחות אחרות, ובמקביל יתעוררו שאלות חדשות. זה מה שעושה את המדע למרגש", מסכם וינסנט.

 

 

לאתר הבית של וינסנט לחצו כאן

 

לקריאת הידיעה בשפה הערבית

اقرأ هذا الخبر باللغة العربية


 

 

 מאת אפרת סבח