פרנסיס הלזן הניח את היסודות לסוג חדש של אסטרונומיה: שימוש בקרח הקוטב הדרומי כדי לגלות נייטרינים המגיעים מעומק היקום. הרעיון הוליד את מצפה IceCube, שגילה נייטרינים עתירי אנרגיה ממקור אסטרופיזי ומספק דרך חדשה לחקור את מאיצי החלקיקים הקיצוניים ביקום
החלקיק החמקמק ביותר ביקום
האקדמיה המלכותית השוודית למדעים החליטה להעניק את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2026 לפרנסיס הלזן (Francis Halzen), פרופסור באוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון, "על תרומות מכריעות למצפה הנייטרינו IceCube ועל גילוי נייטרינים עתירי אנרגיה ממקור אסטרופיזי". הלזן, יליד 1944 בטינן שבבלגיה, קיבל את הדוקטורט שלו ב־1969 מאוניברסיטת KU Leuven.
הלזן הניח את היסודות לסוג חדש לחלוטין של אסטרונומיה. הרעיון שלו היה להשתמש בקרח הקרחוני בקוטב הדרומי כדי ללכוד את החלקיקים החמקמקים הקרויים נייטרינו. התוצאה הייתה מצפה הנייטרינו IceCube, המסוגל לעקוב אחר נייטרינים שמקורם באזורים רחוקים ביקום.
הנייטרינו הוא אחד החלקיקים החמקמקים ביותר בטבע. אין לו מטען חשמלי ומסתו זעירה ביותר. בדרך כלל הוא חולף דרך חומר מבלי להשאיר סימן, ורק לעיתים נדירות מאוד נייטרינו מתנגש בגרעין אטום.
בכל שנייה חולפים דרך שטח בגודל של ציפורן הזרת שלנו כ־65 מיליארד נייטרינו שמקורם בשמש, בלי שנרגיש בהם כלל.
אבל נייטרינים מגיעים גם ממקומות אחרים בחלל, והם נושאים מידע על כמה מן הסביבות הקיצוניות והמסתוריות ביותר ביקום. אם מצליחים ללכוד את הנייטרינים הקוסמיים הנדירים האלה, אפשר להשתמש בהם כדי ללמוד על המקומות שבהם נוצרו.
כבר בשנות ה־80 הבין הלזן שהקרח של אנטארקטיקה עשוי להיות חומר אידיאלי לגילוי מספר גדול מספיק של נייטרינים חמקמקים כאלה. הוא הצליח לשכנע חוקרים נוספים בפוטנציאל של הרעיון, וב־1992 החלה קבוצה של חוקרים ומהנדסים בניסיונות הראשונים להוריד חיישני אור לתוך הקרחון בקוטב הדרומי.
פריצת הדרך הגיעה כעבור כשני עשורים, כאשר IceCube גילה נייטרינים שתכונותיהם שכנעו את החוקרים כי הם הגיעו מאזורים רחוקים בחלל. בכך החל למעשה החיפוש השיטתי אחר מקורות הנייטרינו ביקום.
כשפיזיקת החלקיקים פוגשת את האסטרופיזיקה
הלזן גדל בבלגיה ונמשך לפיזיקת החלקיקים בעקבות ההתקדמות הגדולה בתחום בשנות ה־60. בתחילה עסק בחלקיקים כבדים המורכבים מקווארקים. זמן קצר לאחר שסיים את הדוקטורט עבר לאוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון בארצות הברית.
בהמשך החל להבין כמה יכולה פיזיקת החלקיקים ללמוד מחלקיקים המגיעים אלינו מהחלל – וכיצד, בכיוון ההפוך, יכולה האסטרופיזיקה להפיק תועלת מהכלים והרעיונות של פיזיקת החלקיקים.
המוטיבציה לחיפוש אחר נייטרינים קשורה לתעלומה אחרת: מקור הקרניים הקוסמיות.
החלל מלא בחלקיקים עתירי אנרגיה המכונים קרניים קוסמיות. בדרך כלל מדובר בפרוטונים – גרעיני אטומי מימן נטולי האלקטרון שלהם. חלק מן הפרוטונים המגיעים מן החלל נושאים אנרגיות עצומות, גבוהות בהרבה מאלה שאפשר להעניק לחלקיקים במאיצים שבנינו על פני כדור הארץ.
מקורן של הקרניים הקוסמיות בעלות האנרגיות הגבוהות ביותר נותר במשך שנים אחד הסודות הגדולים של היקום.
הפיזיקה מלמדת שהתהליכים המסוגלים להאיץ פרוטונים לאנרגיות כאלה מייצרים גם נייטרינים עתירי אנרגיה. משום כך יכולים הנייטרינים לשמש רמז מכריע למציאת אותם מאיצי חלקיקים קוסמיים.
הבזקי אור בתוך הקרח
בשנות ה־80, כאשר עסק הלזן בחלקיקים קוסמיים, הוא שמע שחוקרים סובייטים מתכננים להשתמש במקלטי רדיו כדי לזהות אותות של נייטרינו באנטארקטיקה.
הרעיון היה שכאשר נייטרינו מתנגש בגרעין אטום בקרח, האירוע עשוי ליצור אות שיאפשר גילוי באמצעות אנטנה. הרעיון העניק להלזן השראה לשיטה אחרת: להציב חיישני אור בתוך הקרח ולחפש את הבזקי האור הנוצרים בעקבות אינטראקציות של נייטרינים.
כבר בסביבות 1960 הציעו כמה פיזיקאים כי מים יכולים לשמש חומר טוב לגילוי נייטרינים מהחלל. במקרה הנדיר שבו נייטרינו מתנגש בגרעין אטום, נוצר חלקיק טעון הנע בקירוב בכיוון שבו נע הנייטרינו ומפיק אור כחול – קרינת צ'רנקוב.
מכיוון שהמים שקופים, ניתן לזהות את האור הזה. באמצעות ציוד מתאים אפשר לקבוע את כיוון תנועתו ואף להסיק מאיזה כיוון הגיע הנייטרינו.
הבעיה היא הסיכוי הזעיר לאינטראקציה. לכן יש צורך בנפח עצום של חומר כדי לראות מספיק אירועים.
הלזן הציע להשתמש בקרח טבעי במקום במים. יחד עם הפיזיקאי John G. Learned, שעבד בפרויקט DUMAND לגילוי נייטרינים במי האוקיינוס העמוקים ליד הוואי, הוא בחן את האפשרויות והקשיים של בניית מצפה נייטרינו בתוך הקרח האנטארקטי. השניים הציגו את הרעיון לראשונה בכנס בפולין בשנת 1988.
טלסקופ נייטרינו בקוטב הדרומי
לקוטב הדרומי היו כמה יתרונות מפתיעים. כבר הייתה במקום תחנת מחקר עם תשתית לוגיסטית ואפשרות להעביר חוקרים וציוד.
גם הקרח עצמו מתאים במיוחד. בעומק רב שוררת חשכה מתמדת. בניגוד לאוקיינוס, אין אור שמקורו ביצורים חיים, ורמת החומרים הרדיואקטיביים נמוכה. הקרח יציב, והאזור יציב מבחינה גאולוגית.
החיסרון הגדול הוא תנאי מזג האוויר. במשך חלק גדול מן השנה אי־אפשר להגיע לקוטב הדרומי או לצאת ממנו, ולכן כמעט כל העבודה המעשית חייבת להתבצע במהלך הקיץ האנטארקטי הקצר, בין נובמבר לפברואר.
בתחילה הסתפק הלזן בעבודה התאורטית, ולמד היה עסוק בפרויקט אחר. היה בהחלט ייתכן שהרעיון ייעלם. אלא שהוא עורר עניין רב, ובתוך כמה שנים הצטרפו חוקרים ממוסדות שונים במטרה להפוך את מצפה הנייטרינו האנטארקטי למציאות.
לקדוח קילומטרים לתוך הקרח
תחילה היה צורך לפתור את האתגרים ההנדסיים של הצבת מכשור עמוק בתוך הקרחון.
החוקרים למדו מגלציולוגים שאפשר ליצור בקרח חורים בעומק של קילומטרים באמצעות מערכת המתיזה מים חמים וממיסה את הקרח. לתוך החור המלא מים אפשר להוריד כבל ארוך שעליו מותקנות שרשראות של חיישני אור.
הלזן מתאר את החיישנים הללו כמעין "נורה הפועלת בכיוון ההפוך": במקום להפיק אור, הם קולטים אותו והופכים אותו לאות חשמלי.
IceCube עצמו הוא למעשה קילומטר מעוקב של קרח שבו מותקנים חיישני אור על כבלים ארוכים. מעל פני השטח נמצא מבנה שבו נאספים האותות, ומשם מועברים הנתונים באמצעות לוויין לצורך ניתוח.
רוב הנייטרינים העוברים דרך IceCube אינם מותירים כל סימן. אבל המעטים שמתנגשים בגרעין אטום יוצרים חלקיקים טעונים שמפיקים אור שאפשר לקלוט ולנתח.
סוגי הנייטרינו השונים משאירים דפוסים שונים. נייטרינו אלקטרוני או נייטרינו טאו יוצרים מפל של חלקיקים המאיר את האזור סביב נקודת האינטראקציה. נייטרינו מיואוני יכול ליצור מיואון שנע למרחק רב ומשאיר אחריו מסלול ארוך של אור בקרח.
הבעיה: בועות בקרח
לפני בניית המצפה בקוטב הדרומי בדקו החוקרים את הטכנולוגיה בגרינלנד. אחר כך החלו לבנות את קודמו של IceCube באנטארקטיקה – AMANDA.
הלזן סיפר כיצד ישב בערב חג המולד של 1993 ליד שולחן האוכל, כשהמחשב על ברכיו, והמתין להודעה שתאשר כי הכבל הראשון שעליו מודולים אופטיים הותקן בקרח.
הניסיונות הראשונים היו מאכזבים. בשכבות הקרח העליונות היו בועות רבות, שפיזרו את האור לכל הכיוונים וטשטשו את המידע על תנועת החלקיקים.
אלא שמתחת לעומק של כ־1,400 מטר התגלה קרח טהור ושקוף במיוחד. הבזקי אור יכלו לעבור שם מאות מטרים לפני שנבלעו – הרבה יותר מכפי שהחוקרים ציפו. אגב כך תרם הפרויקט גם להבנה טובה יותר של תכונות הקרח בעומקים שונים.
בניית AMANDA נמשכה עד ינואר 2000. המתקן פעל כמתוכנן, אבל לא היה גדול מספיק כדי לזהות במספרים הדרושים את הנייטרינים עתירי האנרגיה שמקורם במאיצי החלקיקים הקוסמיים.
הפתרון היה לבנות גלאי גדול בהרבה: IceCube.
המצפה הגיע לגודלו המלא בשנת 2011, ובו 5,160 חיישני אור המותקנים על 86 כבלים, בעומקים שבין כ־1,450 ל־2,450 מטר מתחת לפני השטח.
הלזן המשיך לאורך כל הדרך לשמש הכוח המניע של הפרויקט – תחילה ב־AMANDA ובהמשך ב־IceCube – והוביל את הרעיון משלב התאוריה ועד למדידות ולתוצאות המדעיות.
IceCube מוצא סוף־סוף נייטרינים קוסמיים
מצפה נייטרינו אינו קולט רק את האותות שהחוקרים מחפשים.
בכל יום נרשמים ב־IceCube יותר ממאה מיליון חלקיקים הנוצרים כאשר קרניים קוסמיות פוגעות באטמוספרה מעל אנטארקטיקה. בנוסף נוצרות באטמוספרה גם כמויות גדולות של נייטרינים, וכמה מאות מהם ביום מגיעים אל הגלאי לאחר שחצו את כדור הארץ מן החצי הצפוני.
כדי למצוא בתוך הרעש העצום הזה את הנייטרינים הקוסמיים, החוקרים צריכים לזהות אירועים המתאימים לאינטראקציות של נייטרינו בקרח ולבחון סטטיסטית אם תכונותיהם שונות מאלה של הנייטרינים האטמוספריים.
בשנת 2013 דיווח צוות IceCube על הראיות הראשונות לכך שאכן התגלו נייטרינים קוסמיים. כעבור כמה שנים הצטברו מספיק נתונים כדי לקבוע בוודאות שהם זוהו.
גם אז דיווח הידען על התגלית, בכתבה "חלקיקים מהחלל בעומק הקרח", שבה תואר גילוי הנייטרינים עתירי האנרגיה בגלאי הענק באנטארקטיקה.
נייטרינים כשליחים מן היקום
אסטרונומיית הנייטרינו לא החלה עם IceCube.
כבר בשנות ה־60 הצליח ריימונד דייוויס הבן למדוד נייטרינים מן השמש. בהמשך אישר צוות Kamiokande ביפן, בהובלת מסאטושי קושיבה, את האפשרות להשתמש בנייטרינים לחקר גרמי שמים ואף לקבוע את כיוון הגעתם.
בשנת 1987 קלט Kamiokande פרץ נייטרינים מסופרנובה בענן המגלני הגדול. גילוי זה חוזק באמצעות מדידות נייטרינו שבוצעו במקביל בארצות הברית ובברית המועצות.
דייוויס וקושיבה קיבלו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2002 על פריצות הדרך שהראו כי אפשר להשתמש בנייטרינים כדי לחקור תופעות בחלל.
בעיה נוספת הייתה "בעיית הנייטרינים הסולאריים": דייוויס גילה רק כשליש מכמות הנייטרינים שחזו המודלים של התגובות הגרעיניות בשמש.
לבסוף התברר שהפתרון נעוץ בקיומם של שלושה סוגי נייטרינו וביכולתם להשתנות מסוג אחד לאחר במהלך תנועתם. הגילוי של תנודות הנייטרינו זיכה את טאקאקי קג'יטה וארתור מקדונלד בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2015.
היתרון הגדול של הנייטרינו
כאן טמון הכוח המיוחד של IceCube.
הקרניים הקוסמיות מורכבות בעיקר מגרעיני אטומים טעונים. כאשר הם עוברים בחלל, שדות מגנטיים מסיטים את מסלולם. לכן, גם כאשר פרוטון עתיר אנרגיה מגיע לכדור הארץ, אי־אפשר פשוט להמשיך את מסלולו לאחור ולגלות היכן נוצר.
נייטרינים, לעומת זאת, אינם נושאים מטען חשמלי ולכן אינם מוסטים בידי שדות מגנטיים.
אם אותו תהליך שמאיץ פרוטונים יוצר גם נייטרינים, אפשר להשתמש בכיוון שממנו הגיעו הנייטרינים כדי להתחקות אחר מקום היווצרותם של החלקיקים עתירי האנרגיה.
גם לקרינת גמא יש יתרון משום שאין לה מטען, אבל בניגוד לנייטרינו היא יכולה להיבלע בחומר או לאבד אנרגיה באינטראקציה עם קרינה אחרת במהלך מסעה בחלל.
נייטרינים יכולים לעבור דרך אבק, גז וחומר כמעט ללא הפרעה. לכן הם עשויים לחשוף גם מקורות קוסמיים החבויים לחלוטין בפני סוגי קרינה אחרים.
מציאת המקורות
אחת המטרות הגדולות של אסטרונומיית הנייטרינו היא לזהות באופן חד־משמעי את הגופים המייצרים את הנייטרינים עתירי האנרגיה.
IceCube כבר סיפק כמה מועמדים חשובים.
בשנת 2018 דווח על זיהוי נייטרינו שניתן היה לקשור לבלאזר – גרעין גלקסיה פעיל שבו חור שחור על־מסיבי מזין סילון חומר עתיר אנרגיה. הידען דיווח אז על שיתוף הפעולה בין IceCube לבין טלסקופי חלל שאפשר לראשונה לקשור נייטרינו כזה למקור אסטרופיזי מסוים: הכתבה באתר הידען.
מקור אפשרי נוסף הוא הגלקסיה הפעילה NGC 1068, המוכרת גם בשם M77. לפי ועדת נובל, 79 מהנייטרינים שנקלטו ב־IceCube הגיעו מכיוון הגלקסיה הזו, אף שהראיות עדיין אינן מספיקות כדי לקבוע באופן סופי שהיא המקור.
בשנים האחרונות הצליח IceCube לזהות גם נייטרינים עתירי אנרגיה שמקורם בשביל החלב. החוקרים מעריכים שהם נוצרים כאשר קרניים קוסמיות מתנגשות באטומים בגז הדליל שבין הכוכבים.
הדרך רק התחילה
ועדת נובל מדגישה כי צפויות תוצאות רבות נוספות מאסטרונומיית הנייטרינו.
IceCube איננו עוד הגלאי היחיד. מצפי נייטרינו נוספים נמצאים בשלבים שונים של בנייה והפעלה בחצי הכדור הצפוני, הפעם בעיקר בתוך מים ולא בתוך קרח – באגם באיקל, בים התיכון, בים סין הדרומי ובאזור החוף המערבי של קנדה.
IceCube עצמו ממשיך לפעול בקוטב הדרומי, וכבר מתוכנן הדור הבא שלו: IceCube-Gen2.
המערך החדש צפוי להשתמש בכ־שמונה קילומטרים מעוקבים של קרח – פי שמונה מהנפח שעליו מתבסס המצפה הנוכחי – ולהגדיל משמעותית את היכולת לאתר את מקורותיהם של הנייטרינים הקוסמיים.
יותר משני עשורים לפני הענקת פרס נובל להלזן, כבר תואר בידען הרעיון של "לראות מתוך הקרחון" באמצעות IceCube, בעת שהמצפה עצמו עדיין היה בשלבי הקמה.
היום, לאחר שהפך מרעיון נועז למכשיר מדעי המסוגל לראות את היקום בדרך שאף טלסקופ רגיל אינו יכול, העניקה ועדת נובל לפרנסיס הלזן את ההכרה הגבוהה ביותר על פתיחת החלון החדש הזה אל היקום.
מקור
המאמר מבוסס על Popular Science Background – The Nobel Prize in Physics 2026, האקדמיה המלכותית השוודית למדעים. עורכים מדעיים: Ulf Danielsson ו־Mark Pearce; טקסט: Anna Davour; איורים: Johan Jarnestad.