לאחר מאה חיפושים גילינו סוף סוף גלי כבידה

מדענים שמעו את אריה הכבידה לראשונה.

תוכן קשור

• חמישה דברים שכדאי לדעת על גלי כבידה
• שבע דרכים פשוטות שאנחנו יודעים שאיינשטיין צדק (לעת עתה)

כששני חורים שחורים התפתלו זה אל זה והתמזגו, הם יצרו אדוות במרקם הקוסמוס בדיוק כפי שצפו פיזיקאים במשך מאה שנה: גלי כבידה. האות שנחשף היום במהלך חבילה של מסיבות עיתונאים בינלאומיות, האות סולל את הדרך להבנה חדשה לחלוטין של היקום.

מנהל המעבדה של ליגו דיוויד רייצה מאוניברסיטת פלורידה אמר היום באירוע עיתונאים בוושינגטון הבירה, "זו הפעם הראשונה שהיקום מדבר אלינו באמצעות גלי כבידה. עד עכשיו היינו חירשים.

בשורש גלי הכבידה נמצאת תיאוריית הכבידה של אלברט איינשטיין, האומרת כי כל דבר שיש בו המוני מעוות את מרקם הזמן-החלל. כאשר חפצים מאסיביים נעים הם יוצרים עיוותים במרקם הקוסמי, ויוצרים גלי כבידה. גלים אלה מתעגלים ביקום כמו גלי קול הפועמים באוויר.

התיאוריה של איינשטיין מנבאת כי היקום שופע גלי כבידה, אך עד כה לא הצלחנו לאתר אותם, בין היתר מכיוון שהגלים קלושים במיוחד. אך עוד לפני שהמכשירים המשודרגים שלה נכנסו לרשת באופן רשמי בשנה שעברה, מצפה הכוכבים של גל אינטרפרומטר לייזר (LIGO) קלט אות ברור מהתנגשות עוצמתית של שני חורים שחורים במרחק 1.3 מיליארד שנות אור משם.

"לגלות אות גלי כבידה בזמן ש- LIGO עדיין לא קרוב לרגישות עיצובית בריצת המדע הראשונה זה מדהים, זה נשמט לסת, בצורה טובה" אומרת ג'ואן צנטרלה, שעמדה בראש המעבדה לאסטרופיזיקה של הכבידה במעוף החלל Goddard של נאס"א. מרכז לפני שהפך לסגן מנהל החטיבה למדעי האסטרופיזיקה בגודארד.

התרגשות זו קרעה דרך ליווינגסטון, לואיזיאנה, מצפה הכוכבים של LIGO ודרך שאר העולם כאשר הצוות הכריז. כמעט כל מה שלמדו האסטרונומים על הקוסמוס הגיע מצורות אור שונות, כמו גלויים, גלי רדיו וצילומי רנטגן. אך כשם שגלים סיסמיים יכולים לחשוף מבנים נסתרים בעומק כדור הארץ, גלי הכבידה נושאים עימם מידע על תכונות נסתרות של היקום שאפילו אור אינו יכול לחשוף.

"התחלנו בעבודה בסיכון גבוה עם שכר פוטנציאלי מאוד, " אמר קיפ תורן, מייסד שותף של LIGO ופיזיקאי בכבידה במכון הטכנולוגי בקליפורניה, במהלך האירוע בעיתונות. "ואנחנו כאן היום עם ניצחון גדול - דרך חדשה לחלוטין להתבונן ביקום."

רמזים מוקדמים

המצוד אחר גלי הכבידה החל לפני מאה שנה, עם פרסום תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין. באמצע שנות השבעים, הפיזיקאים ראסל הולס וג'וזף ה. טיילור, ג'וניור, תפסו עדויות משכנעות ביותר לכך שהאורות הללו קיימים. הם מדדו את הזמן שלקח לשני כוכבי נויטרונים צפופים - הליבות הכתושות של הכוכבים שהיו פעם מסיביים - למסלול זה סביב זה.

בהתבסס על עבודתו של איינשטיין, הם ידעו שכוכבים אלה צריכים להקרין אנרגיה כבידה בזמן שהם מסתובבים, וכי אנרגיה שאבדה צריכה לגרום להם להתפתל זה אל זה. לאחר שלמדו את שני הכוכבים במשך השנים הבאות, הם ראו שהמסלול ירד בדיוק בכמות שחזתה היחסות הכללית.

בעוד שממצא זה זיכה את הצמד בפרס נובל לפיזיקה משנת 1993, רוב הפיזיקאים לא היו קוראים לזה גילוי ישיר של גלי הכבידה.

בשנת 2001, LIGO החלה לפעול בשני מוקדים במרחק של 1, 875 מיילים זה מזה - האחד בליווינגסטון, לואיזיאנה והשני בהנפורד, וושינגטון. כעבור כמה שנים עלה גם מזל בתולה טלסקופ גל הכבידה האירופי. שניהם פעלו עד 2010 ו- 2011, בהתאמה, לפני שיצאו במצב לא מקוון לשדרוגים.

בעוד שמדענים קיוו כי המצפים הראשונים הללו יתפסו גלי כבידה, הם ידעו שמדובר בזריקה ארוכה. אדוות אלה הן אותות חלשים מאוד, והמכשירים לא היו מספיק רגישים לשמוע את לחישותיהם. אולם הריצות הראשוניות משמשות כמבחני הטכנולוגיה של מכשירי הדור הבא.

מזל בתולה עדיין משודרג, אך צוות ה- LIGO השלים את עבודתם בשני הגלאים בשנת 2015. כיום, המכונים Advanced LIGO, מצפי הכוכבים לואיזיאנה וושינגטון האזינו לגלים כבידתיים במהלך הרישום הראשון לתצפית במדע בין ה- 18 בספטמבר 2015 ל- 12 בינואר 2016. האות שהוכרז היום הועלה ממש לפני אותה ריצה רשמית ראשונה, שכן הצוות ביצע בדיקות מבצעיות של הגלאים.

דיוק לייזר

חישה של גל כשהוא עבר דרך כדור הארץ דרשה הרבה הנדסה חכמה, כוח מחשב ויותר מאלף מדענים העובדים ברחבי העולם.

בתוך כל מצפה LIGO בצורת L, לייזר יושב בנקודת המפגש של שני צינורות בניצב. הלייזר עובר דרך מכשיר המפצל את האור, כך ששתי אלומות עוברות את הקילומטר בערך 2.5 מיליליטר בכל צינור. מראות בקצות הצינורות משקפות את האור חזרה לכיוון המקור שלה, שם מחכה גלאי.

בדרך כלל שום אור לא נוחת על הגלאי. אולם כאשר גל כבידה עובר, הוא צריך למתוח ולחלוק את החלל בזמן בתבנית צפויה, ובאופן יעיל לשנות את אורכי הצינורות בכמות זעירה - בסדר גודל של אלף קוטר הפרוטון. ואז, קצת אור ינחת על הגלאי.

כדי להסביר את השינוי הקטן להפליא, מראות המכשיר מחוברות למערכות מורכבות שמבודדות אותם מרוב הרטט. למדעני LIGO יש גם תוכנות מחשב מיוחדות שיכולות לסנן דרך רעשי רקע מסוגים שונים, כמו רעידות מדי פעם, ולקבוע אם אות נכנס כלשהו תואם למקורות אסטרונומיים אפשריים המחושבים על פי תורת היחסות הכללית.

האתרים של לואיזיאנה וושינגטון פועלים יחד כדי לאמת צפייה. "אנו לא מאמינים שאנו רואים גל כבידה אלא אם כן שני הגלאים רואים את אותו האות בפרק הזמן אותו ייקח גל הכבידה כדי לנסוע בין שני האתרים", אומר חבר צוות LIGO אמבר שטובר מאוניברסיטת לואיזיאנה. במקרה זה, הגל עבר דרך כדור הארץ ופגע בשני הגלאים במרחק של שבעה אלפיות השנייה זה מזה.

ברגע שאתרי לואיזיאנה וושינגטון מזהים מנגינה כבידתית אפשרית, מדענים מתחילים לעבוד על הניתוח. ליגו קלט את האות הזה ב- 14 בספטמבר, אך כעת הוא מסוגל לומר בוודאות גבוהה כי הם ראו גלי כבידה.

"זה לקח לנו חודשים של בדיקה מדוקדקת, בדיקה מחודשת, ניתוח, עבודה עם כל פיסת נתונים כדי להבטיח את הצפייה", אמר רייצה במהלך האירוע של DC. "ושכנענו את עצמנו שזה המצב." התוצאות מופיעות השבוע במכתבי ביקורת גופנית .

איתור גל הכבידה שאסטרונומים שלפו מהתצפיות האחרונות התאים למה שהם ציפו לשני חורים שחורים המתפתלים זה לזה. הריקוד שולח גלי כבידה בתדירות ובעוצמה צפויה מראש, תלוי עד כמה המרוחקים זה מזה בין העצמים ובמיסותיהם.

כשהם מתחילים לרקוד מקרוב, אורכי הגל של גלי הכבידה מתכווצים ושירם מגיע למגרשים גבוהים יותר. כאשר החורים השחורים נסגרים לקראת החיבוק הסופי, לאות גל הכבידה יש ​​תו גבוה אחד אחרון, או "ציוץ", כפי שמכנים אותו אסטרונומים.

האות בספטמבר מתיישר בצורה נהדרת למה שהצוות היה מצפה משני חורים שחורים עם המונים שווה לערך פי 29 ו -36 ממסת השמש. החורים השחורים האלה נטרפו זה לזה כדי ליצור חור שחור חדש פי 62 ממסת השמש - המקרין 3 מסות סולריות בשווי אנרגיה כבידה.

לצפות לבלתי צפוי

עם גילוי ראשוני זה, אסטרונומים מקווים כי ה- LIGO המתקדם ימשיך לתפוס גלי כבידה ולהתחיל לבנות נתונים לכל מיני מחקרים מדעיים, החל להבין כיצד סופרנובות עובדות ועד למידת הרגעים הראשונים של היקום. אף ששום טלסקופ אסטרונומי אחר לא ראה שום סימן להתנגשות בחור שחור זה, חלק מהמקורות האחרים ש- LIGO מתקדמת מחפשת צריכים להיות מקבילים גלויים לטלסקופים שתופסים אור.

זה נראה מבטיח במיוחד בהתחשב בכך ש- Advanced LIGO עדיין לא במלוא הרגישות שלו. זה יבוא בשנים הקרובות, אומר סטובר.

כל אחד מאותות אלה ייתן לאסטרונומים את מה שלא היה להם מעולם: דרך לחקור מקרים קשים של כוח משיכה ותנועות של עצמים בלתי נראים. אפילו יותר מרגש, אסטרונומים יודעים שעם כל התקדמות טכנולוגית, ליקום יש דרך להפתיע אותנו.

"בכל פעם שהסתכלנו בדרך חדשה ובאור מסוג אחר, אנו מגלים משהו שלא ציפינו למצוא", אומר סטובר, "וזה הדבר הלא צפוי שעושה מהפכה בהבנתנו את היקום." לא הרבה זמן לאחר שהאסטרונומים הפכו אנטנות רדיו לשמיים, הם גילו סוג בלתי צפוי של כוכב נויטרונים המכונה פולסאר. ואולי באופן פואטי, זה היה כוכב פולסרי ונויטרוני שרקוד ריקודים מסלולית שלמדו הולס וטיילור בשנות השבעים.

כעת, עם שחר האסטרונומיה של גל הכבידה, יש למדענים כלי חדש לדגימה של הקוסמוס. ומתוך הצליל, אנו מחפשים מוזיקה יפהפייה.

הערת העורך: השתייכותה של ג'ואן צנטרלה תוקנה.