חידת החומר האפל המרכיב את מרבית היקום מרתקת את המדע כבר קרוב למאה שנים וכעת, פיתוח חדשני בהובלת קבוצת מחקר ישראלית מאוניברסיטת תל אביב, עשוי להוביל לפריצת דרך בתחום ולסייע לנו להבין יותר על העולם שבו אנו חיים. זאת, בעזרת גלאי חלקיקים רגיש במיוחד, הפועל בשיטה מתקדמת ומאפשר דיוק חסר תקדים באיתור החומר האפל. 

לפיתוח אחראית קבוצת חוקרים ישראלית מהחוג לפיזיקת חלקיקים באוניברסיטת תל אביב בהובלת פרופ' תומר וולנסקי, פרופ' ארז עציון וד"ר לירון ברק, העובדת בשיתוף פעולה בינלאומי עם חוקרים מארה"ב וארגנטינה. עבור הפרויקט פותחה תוכנה ייעודית, "אאוריקה", שמהווה בפני עצמה פריצת דרך מרשימה בתחום אנליזת המידע בפרויקטים מורכבים. 

85% מהחומר הקיים בגלקסיה אינו נראה (צילום: Subaru (NAOJ), Hubble (NASA/ESA), Mayall (NSF); R. Gendler & R. Croman)85% מהחומר הקיים בגלקסיה אינו נראה (צילום: Subaru (NAOJ), Hubble (NASA/ESA), Mayall (NSF); R. Gendler & R. Croman)

חידת החומר האפל

במאה ה-17 כתב ניוטון לראשונה את המשוואות המתארות את כוח הכבידה, באמצעותן ניתן להסביר מדוע כדור הארץ, הסובב את השמש במהירות העולה על מאה אלף קילומטרים בשנייה, אינו מתנתק ממנה אלא ממשיך לחוג סביבה במסלול מעגלי כתוצאה מכוח המשיכה ביניהם.

באופן דומה, השמש שלנו סובבת את מרכז גלקסיית שביל החלב במהירות מסדר גודל של מיליון קמ"ש. גם כאן, בדומה לכדור הארץ, השמש אינה "בורחת" אלא ממשיכה לחוג במסלולה עקב משיכה לכמות עצומה של כוכבים וגרמי שמיים הנמצאים בגלקסיה.  

אך כאן המדע נתקל בבעיה, שכן בתצפיות נראה שאין מספיק כאלה כוכבים וחומר נראה בגלקסיה שיפעילו את כוח הכבידה הדרוש על מנת שהשמש תישאר במסלולה. למעשה, כבר מהמאה הקודמת תצפיות אסטרונומיות על הגלקסיה הראו שאין די כוכבים וגרמי שמים נראים אשר יהיו מסוגלים למשוך יחדיו את השמש ולהשאירה במסלולה הנוכחי.

מאז ועד היום, חידה זו מתעתעת בעולם המדע והיא בין האתגרים הגדולים ביותר בתחום הפיזיקה. למעשה, כאשר אנו נושאים פנינו אל השמים, הכוכבים אותם אנו רואים מהווים רק כחמישה עשר אחוזים בלבד מהכמות הנדרשת להשאיר את השמש במסלולה.

לפיכך, כ-85% מהחומר ביקום אינו עשוי מהחומרים שאנו רואים סביבנו, אלא מחומר מסוג חדש ומסתורי שאין ביכולתנו לראות. לכן חומר זה קיבל את הכינוי "חומר אפל". נכון לזמן כתיבת מאמר זה, החיפושים אחר החומר האפל נמשכים ביתר שאת, אך ללא הואיל.

הסברה הרווחת היא שהחומר האפל מורכב מחלקיקים חמקמקים עד כדי כך שלא היה ניתן לגלותם עד היום. חלקיקים אלו מצויים בגלקסיה שלנו ואף בגלקסיות אחרות ומכיוון שאנחנו כאמור נעים בתוך הגלקסיה במהירות עצומה אנו חולפים על פני אינספור חלקיקים כאלו בכל רגע. 

אז איך ניתן לגלות את החלקיקים החמקמקים?

ייתכן כי פריצת דרך אפשרית בתחום זה תגיע באמצעות אותו גלאי חדש, פרי פיתוח טכנולוגי חדשני שפיתחו חוקרים מישראל, ארה"ב וארגנטינה במסגרת קולבורציה בינלאומית הקרויה SENSEI. 

הגלאי החדש, הנקרא Skipper-CCD, מאפשר "לצלם" את החומר האפל העובר בתוכו, באמצעות דיוק תקדימי של מדידת פליטת אלקטרון אחד מתוך טריליון של טריליון אלקטרונים, שנפלט בעקבות התנגשות עם החומר האפל.  

הגלאי מייצר תמונה שצבעיה נקבעים על פי אותם אלקטרונים בודדים, באופן המזכיר את חיישני המצלמה להם אנו רגילים. רגישות הגלאי כה גבוהה, שניתן לאתר את אותם אלקטרונים שבאים במגע עם חלקיקי החומר האפל ברמת דיוק שלא הייתה קיימת עד היום. כך, התמונה שיספק הגלאי תאפשר הצצה חסרת תקדים אל טיבו של החומר האפל. 

על מנת לנתח את התמונות שמספק הגלאי החדש, נאלצו החוקרים להתמודד עם אתגרים חדשים שהציבו בפניהם כמות המידע הרב הנאסף בזמן הצילום, ותהליך האנליזה המורכבת הנדרשת על מנת לעבד אותו ולפענחו.

לשם כך, סטודנט המחקר אביב אורלי, אחד החוקרים בצוות הישראלי, פיתח את "אאוריקה", תוכנה פורצת דרך בפני עצמה, המאפשרת לבצע את תהליך האנליזה המתקדמת הדרושה לפענוח התצפיות המגיעות מהגלאי, תוך מתן פתרון נוח לשיתוף הפעולה הנדרש בין החוקרים בפרויקט, שנמצאים בקצוות שונים של העולם.  

אאוריקה - סביבת פיתוח חדשנית לאנליזה מורכבת של כמויות גדולות של מידע

תוכנת אאוריקה אמנם פותחה במיוחד עבור פרויקט SENSEI, אך למעשה מדובר בסביבת עבודה פורצת דרך שמאפשרת שיתוף פעולה יעיל בין צוותים גדולים של חוקרים במגוון פרויקטים מורכבים ומסובכים הכוללים כמויות גדולות של מידע ונתונים בשלל תחומים.  

אורלי מסביר כי עם התקדמות הטכנולוגיה, הפרויקטים בתעשייה ובמחקר לא רק נהיים מורכבים יותר אלא כוללים צוותים גדולים יותר ומגוונים יותר מקצועית. פרויקטים אלו מלווים בקשיים טכניים רבים, הכוללים לא רק צורך בפיתוח קוד ארוך ומסובך אלא גם הנגשתו לכלל צוות הפרויקט. במצב הקיים היום, מתכנת אחד לא מסוגל לעקוב אחר כל חלקי הקוד והאנליזה של מתכנתיו השותפים, והדבר מקשה עוד יותר על חוקרים שאמונים על דברים אחרים ולא על הקוד ישירות. 

אאוריקה מספקת סביבת עבודה מתקדמת העונה בדיוק על צורך זה. התוכנה מתאימה לניתוחים מורכבים של כמויות גדולות של מידע בשיתוף בין חוקרים רבים, כאשר חלקם ללא רקע או ידע מקדים בתכנות. כך מתאפשרת סביבת תכנות מתקדמת אך נוחה מאוד לשימוש שיכולה לסייע לפרויקטים במגוון תחומי מדע ותעשייה שדורשים אנליזות מורכבות.  

פרופ' וולנסקי הוסיף: ״כדי לנתח את המידע הרב המתקבל מהגלאי, המכיל מיליונים רבים של ערכים, משתמשים החוקרים בתוכנות מחשב ושפות תכנות מתקדמות על מנת לפענח את המידע ולבצע עליו פעולות מתמטיות הנדרשות על מנת לבור את המוץ מן התבן, היינו לזהות את הסיגנל העדין מתוך כלל הרעשים שמסביב ובכך לגלות את החומר האפל".

אנליזות כאלו דורשות מהחוקרים לכתוב אלפים רבים של שורות קוד, דבר המצריך מספר רב של מתכנתים ומסבך מאוד את שיתוף הפעולה בין החוקרים. חבר הצוות הדוקטורנט איתי בלוך הסביר כי "כשהגלאי מצלם תמונה, הוא קולט ומצלם גם דברים שאינם חומר אפל, כמו קרני רקע קוסמיות. אבל, בגלל שאנו יודעים איך מה שאנו מחפשים אמור להיראות, על ידי פיתוח של תוכנה מיוחדת, ניתן לפלטר מתוך הדאטה שלנו דברים שאינם החומר האפל". 

כאן נכנסת לתמונה אאוריקה, המאפשרת לחלק את הקוד למקטעים ומייצרת מכל מקטע קוד אלמנט ויזואלי, כך שבמקום שורות רבות של קוד היא מציגה את האלמנטים השונים על משטח עבודה אחד באופן פשוט וקל להבנה, הממחיש את הקישוריות בין כלל האלמנטים השונים באופן גרפי וברור המאפשר שליטה ובקרה מבלי צורך בתכנות. כך, מסביר אורלי, תהליך האנליזה של המידע מוצג בצורה פשוטה, וכל חוקר בצוות יכול להפעיל ולבחון חלקים שונים באנליזה ואף לראות את תוצאותיה באופן ברור וויזואלי. 

מאחורי הקלעים אאוריקה מבצעת באופן אוטומטי שימוש במיקבול תהליכים ובינה מלאכותית, כדי ליצור אופטימיזציה שמאפשרת לקוד לרוץ מהר הרבה יותר ועם פחות תקלות ובאגים. כמו כן ישנה מערכת ניהול גרסאות מתקדמת, המאפשרת מעקב בלייב אחרי עדכונים שמבצעים חוקרים אחרים וכן תקשורת מיידית בין החוקרים השונים, ונותנת לכל חוקר אפשרות לראות ולשחזר בדיוק את תוצאותיהם של האחרים. בכך, מקלה התוכנה על שימור הידע לאורך כל הפרויקט. 

מדובר בבשורה גדולה שכן, בפרויקטים רבים ישנם הרבה קטעי קוד אשר בפועל מהווים "קופסאות שחורות" לכל מי שאינו מתכנת במקצועו ואף, כמו שיעידו מתכנתים רבים, לכל מי שאינו כותב הקוד בעצמו. בסביבה זו ניתן לעקוב אחר כלל תהליכי האנליזה מבלי לצלול לפרטי הקוד, ואף להשפיע עליהם ולשנותן בכל עת בפשטות ובקלות. כך אאוריקה הופכת את ביצוע האנליזה, מורכבת ככל שתהיה, לקלה ופשוטה.