מה היו המבנה והדינמיקה של החומרים הראשונים ביקום?

מדענים שמבקשים לחקור את ראשית היקום, את התהליכים שבהם נוצרו והתפתחו החומרים הראשונים, מיד לאחר “המפץ הגדול”, אינם יכולים (למרבה הצער) להשתמש במכונות זמן שיסיעו אותם לאזורים המתאימים במרחב ובזמן. מכיוון שכך, הם מנסים לשחזר בדרכים שונות את התנאים ששררו ביקום הקדום, הצעיר. זה בדיוק מה שעושה פרופ’ דניאל זייפמן מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן

מדענים שמבקשים לחקור את ראשית היקום, את התהליכים שבהם נוצרו והתפתחו החומרים הראשונים, מיד לאחר המפץ הגדול, אינם יכולים (למרבה הצער) להשתמש במכונות זמן שיסיעו אותם לאזורים המתאימים במרחב ובזמן. מכיוון שכך, הם מנסים לשחזר בדרכים שונות את התנאים ששררו ביקום הקדום, הצעיר. זה בדיוק מה שעושה פרופ’ דניאל זייפמן מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע ולשעבר גם נשיא המכון.

לפני כ-15 שנים, תכנן פרופ’ זייפמן, במכון מקס פלאנק לפיסיקה גרעינית בהיידלברג שבגרמניה, מתקן מחקר ייחודי ושאפתני, שזכה בכינוי “טבעת האחסון הקריוגנית”, או בקיצור “הטבעת”. מדובר במתקן טבעתי שאורכו כ-35 מטר, ושלבנייתו הוקצבו קרוב לעשרה מיליוני דולרים. בטבעת זו התכוונו המדענים ללכוד – באמצעות שדות חשמליים בלבד – יונים מולקולריים מהסוגים שנוצרו והתקיימו ביקום הצעיר (אלה, למעשה, המולקולות הראשונות שנוצרו ביקום לאחר המפץ הגדול). התוכנית הייתה שלאחר לכידת היונים הללו, הם יקוררו לטמפרטורה (אנרגיה) הפנימית הבסיסית שלהם: האנרגיה הנמוכה ביותר שבה המולקולה יכולה להתקיים, ושבה היא חדלה כמעט להתנדנד. כאשר היונים המולקולריים נתונים במצב “קפוא” כזה, קל יותר לחקור את תכונותיהם, כגון המבנה והדינמיקה שלהם. בדרך זו אפשר ללמוד, בין היתר, על תהליכי היווצרותם של כוכבים ולזהות את החומרים שמרכיבים אותם.

אחת התכונות המרשימות במיוחד של הטבעת הקריוגנית הגדולה היא יכולתה לבודד מולקולה יחידה, לעקוב אחריה ‘באופן אישי’ – ולבחון כיצד בדיוק היא נוצרת ומתפרקת”

זמן קצר לאחר תחילת הבנייה של הטבעת הקריוגנית, נבחר פרופ’ זייפמן לכהן בתפקיד נשיא מכון ויצמן למדע. עוד לפני כן, יחד עם ד”ר עודד הבר וחברים נוספים מקבוצת המחקר שלו במכון, הוא החליט לבנות לעצמו “טבעת יונים” משלו, כאן, במעבדתו שבקמפוס המכון. מיליוני דולרים לא היו לו, אז הוא הסתפק בכמה עשרות אלפי דולרים. גם מרחב לטבעת ענקית שאורכה 35 מטר לא היה לו – אז הוא בנה מתקן שאורכו 50 סנטימטרים בלבד. המכשיר הזה מורכב משתי מראות ה”מתמסרות” ביניהן ביונים המולקולריים. כך אפשר לאחסן יונים מולקולריים ולקרר אותם, אם כי, כמובן, האפשרויות של “המלכודת הקטנה” היו פחותות מאלה של הטבעת הקריוגנית הגדולה שהלכה ונבנתה בהיידלברג.

אלא שעם השנים התברר שבניית הטבעת הקריוגנית הגדולה מחייבת התגברות על שורה ארוכה של אתגרים טכנולוגיים ומדעיים שלפעמים נראו בלתי-עבירים. עם זאת, המדענים והמהנדסים של מכון מקס פלאנק לא הרימו ידיים, ובשנים שבהן פרופ’ זייפמן כיהן כנשיא המכון, הם התמודדו עם האתגרים ופתרו את הקשיים בזה אחר זה. פרופ’ זייפמן, כמובן, המשיך להתעניין בעבודתם, עקב אחריה והשתתף בהתייעצויות באשר לפתרון בעיות וקשיים שעלו בדרך.

באחרונה עלתה קריאת “אאוריקה” מהיידלברג כאשר, נגד כל הציפיות, המהנדסים הצליחו להתגבר על האתגרים הטכנולוגיים, והטבעת הגדולה החלה לפעול, כשכולה מקוררת לטמפרטורה של כ-4 מעלות מעל לאפס המוחלט, מה שהוביל לכמה ממצאים מחקריים מפתיעים. בדרך הטבע, המולקולות הראשונות שנבחנות במערכות כאלה הן יונים מולקולריים של מימן והליום (אלה שני היסודות הראשונים שנוצרו ביקום הצעיר, ושילובים שונים ביניהם הם המולקולות הראשונות ביקום). התהליך המרתק שבו התמקדו המדענים היה זה שבו יון מולקולרי של הליום ומימן “שואב” (או “מושך”) ומספח לעצמו אלקטרון בודד מתוך הפלסמה שסביבו. האלקטרון ה”מצטרף” מנטרל את היון המולקולרי ומפרק אותו. כלומר, הוא גורם הרסני שמפריע ומעכב את תהליך הבנייה של אבני היסוד של חומר מולקולרי.

אחת התכונות המרשימות במיוחד של הטבעת הקריוגנית הגדולה היא יכולתה לבודד מולקולה יחידה, ולעקוב אחריה “באופן אישי” (כלומר, לא בסטטיסטיקה של מה שקורה בקבוצה גדולה או קטנה של מולקולות), ולבחון כיצד בדיוק היא נוצרת ומתפרקת. אחת-אחת, לאט-לאט.

כך, למשל, כמות היונים המולקולריים מסוג הליום-מימן (HeH+) שקיימים ביקום, משקפת את היחס הכמותי בין תהליכי ההיווצרות של המולקולה לתהליכי הפירוק שלה. כמות קטנה של המולקולה הזאת משקפת מצב שבו הפירוק גדול ומהיר יותר מתהליך ההיווצרות שלה. המדענים הניחו במשך שנים יחס מסוים בין שני התהליכים האלה, אבל הניסויים המבוקרים והמדויקים בטבעת הקריוגנית הגדולה הראו יצירה של כמות גדולה של היון המולקולרי הזה, ותהליך פירוק איטי משסברו. לתוצאה מפתיעה זו נודעת משמעות באשר לסביבה שהתקיימה ביקום הצעיר, שבו נוצרו גלקסיות וכוכבים ראשונים. במלים אחרות, ממצאים אלה יחייבו בחינה מחודשת של המודלים באשר לתהליכי ההיווצרות של הגלקסיות והכוכבים הראשונים ביקום.

בטבעת הקריוגנית הגדולה, המדענים חוקרים כיצד התנהגות של מערכות מולקולריות פשוטות, בטמפרטורה של 2 מעלות קלווין, משפיעה על היווצרותם של כוכבים בעלי טמפרטורה של 1 מיליון מעלות קלווין.
למאמר המדעי