https://frosthead.com

איתור גלי הכבידה היה פריצת דרך מדעית, אך מה הלאה?

לפני יותר ממיליארד שנה, בגלקסיה רחוקה, רחוקה, שני חורים שחורים ביצעו את המדרגות הסופיות בפס דה דה-דו-רגל, והסתיימו בחיבוק סופי כל כך אלים שהוא שחרר יותר אנרגיה מהתפוקה המשולבת של כל כוכב ב כל גלקסיה ביקום הנצפה. עם זאת, בניגוד לאור כוכבים, האנרגיה הייתה חשוכה ונשאה על ידי כוח הכובד הבלתי נראה. ב -14 בספטמבר 2015, בשעה 05:51 בבוקר אור היום המזרחי, הגיע שבר מאותה אנרגיה, בצורת "גל כבידה", לכדור הארץ, שהופחת על ידי המעבר העצום שלו על פני המרחב והזמן ללחישה סוערת בלבד התחלה.

קריאות קשורות

Preview thumbnail for video 'The Elegant Universe

היקום האלגנטי

קנה

ככל הידוע, כדור הארץ היה לפני כן שטוף בסוג זה של הפרעה בכבידה. בתדירות גבוהה. ההבדל הפעם הוא ששני גלאים מדויקים להפליא, האחד בליווינגסטון, לואיזיאנה והשני בהנפורד, וושינגטון, עמדו מוכנים. כשגל הכבידה התגלגל על ​​ידו, הוא דגדג את הגלאים, וספק את החתימה הבלתי ניתנת לטעות של התנגשות חורים שחורים בצד השני של היקום וסימן את תחילתו של פרק חדש בחקירת המין האנושי.

כאשר שמועות על התגלית החלו להסתובב בינואר, גילגלתי את עיניי אל מה שברור שהיה אזעקת שווא או תכסיס כדי לעורר קצת באז. כתוכנית מחקר כבר בעשור החמישי לחייה, ציד גלי הכבידה כבר מזמן הפך לתגלית העיקרית שתמיד ריחפה באופק. פיסיקאים התפטרו מכדי לחכות לגודו הכבידתי שלהם.

אבל ההמצאה האנושית והתמדה ניצחו. זה אחד הניצחונות האלה שמעניקים אפילו לאלה מאיתנו מריעים מהצד צמרמורות עקצוצות עמוד שדרה.

הנה הסיפור, על קצה המזלג.

בנובמבר האחרון חגג העולם את מאה המאה לגילויו הגדול ביותר של איינשטיין, תורת היחסות הכללית, שחשפה פרדיגמה חדשה להבנת כוח המשיכה. גישתו של אייזק ניוטון מנבאת נכון את המשיכה הכבידה בין שני אובייקטים כלשהם, אך אינה נותנת תובנה כיצד משהו כאן יכול להושיט יד על פני שטח ריק ולמשוך אליו משהו . איינשטיין השקיע עשור בניסיון לקבוע כיצד מועברים הכבידה, ולבסוף הגיע למסקנה כי המרחב והזמן מהווים את היד הנעלמה שעושה את הצעות הכובד.

Preview thumbnail for video 'Subscribe to Smithsonian magazine now for just $12

הירשמו עכשיו למגזין סמיתסוניאן תמורת 12 דולר בלבד

הסיפור הזה הוא מבחר מתוך גיליון אפריל של המגזין סמיתסוניאן

קנה

המטאפורה של הבחירה, שימוש מופרז אך מעוררת, היא לחשוב על המרחב כטרמפולינה. הניחו כדור באולינג באמצע הטרמפולינה וגרם לו להתעקם, ושיש יינדח לנוע לאורך מסלול מעוקל. באופן דומה, איינשטיין הצהיר כי בסמוך לגוף אסטרונומי כמו השמש, מתפתלת סביבת החלל, מה שמסביר מדוע כדור הארץ, בדומה לשיש, עוקב אחר מסלול מעוקל. עד שנת 1919, תצפיות אסטרונומיות אישרו חזון מדהים זה והפכו את אינשטיין לאינשטיין.

אינשטיין דחף עוד יותר את תגליתו. עד אז הוא התמקד במצבים סטטיים: קביעת הצורה הקבועה של אזור בחלל הנובע מכמות נתונה של חומר. אבל איינשטיין פנה אז לסיטואציות דינמיות: מה היה קורה למארג החלל אם החומר היה זז וטלטל? הוא הבין שכמו שילדים שקופצים על טרמפולינה מייצרים גלים על פני השטח שמתעגלים כלפי חוץ, חומר שזז לכיוון זה וייצר גלים במרקם של זמן החלל שגם אדוות כלפי חוץ. ומכיוון שעל פי תורת היחסות הכללית, זמן החלל המעוקל הוא כוח המשיכה, גל זמן החלל המעוקל הוא גל הכובד.

גלי הכבידה מייצגים את היציאה המשמעותית ביותר של היחסות הכללית מכוח הכבידה הניוטוני. זמן חלל גמיש הוא ללא ספק סקירה מעמיקה של כוח הכבידה, ובכל זאת בהקשרים מוכרים כמו משיכת הכבידה של השמש או כדור הארץ, התחזיות של איינשטיין בקושי שונות מאלה של ניוטון. עם זאת, מכיוון שכוח הכבידה הניוטוני שותק ביחס לאופן העברת הכובד, לתפיסת הפרעות הכבידה הנעות אין מקום בתיאוריה של ניוטון.

לאנשטיין עצמו היו חששות בנוגע לחיזויו של גלי הכבידה. כשנתקלים לראשונה במשוואות העדינות של תורת היחסות הכללית, זה מאתגר להתנתק מתמטיקה מופשטת מהפיזיקה הניתנת למדידה. איינשטיין היה הראשון שעסק במגע הזה, והיו תכונות שאפילו הוא, הסתרת היחסות, לא הצליח להבין את מלואו. אולם בשנות השישים של המאה העשרים, מדענים המשתמשים בשיטות מתמטיות מעודנות יותר, קבעו מעל לכל ספק כי גלי הכבידה הם מאפיין המייחד את תורת היחסות הכללית.

איור גלי הכבידה המחשה של גלי כבידה (ג'ון הרסי)

כיצד אפוא ניתן לבחון את התחזית האייקונית הזו? בשנת 1974, באמצעות טלסקופ הרדיו Arecibo, גילו ג'וזף טיילור וראסל האולס פולסר בינארי: שני כוכבי נויטרונים המקיפים את תקופת מסלולם ניתן היה לעקוב בדיוק רב. על פי תורת היחסות הכללית, הכוכבים המסתובבים מייצרים צעדה קבועה של גלי כבידה המנקזים אנרגיה, וגורמים לכוכבים להתקרב זה לזה ולמסלולם במהירות רבה יותר. תצפיות אישרו תחזית זו ל- T, תוך שהיא מספקת עדויות, גם אם עקיפות, כי גלי הכבידה הם אמיתיים. הולס וטיילור קיבלו את פרס נובל לשנת 1993.

ההישג רק הפך את הגילוי הישיר של גלי הכבידה מפתה עוד יותר. אבל המשימה הייתה מרתיעה. החישובים מראים שככל שגל הכבידה מתעגל בחלל, כל דבר שנמצא בדרכו יימתח ולחץ לאורך הצירים בניצב לכיוון התנועה של הגל. גל כבידה שפנה היישר לכיוון ארצות הברית היה מתמתח וסוחט לסירוגין את המרחב בין ניו יורק לקליפורניה, וזה בין טקסס וצפון דקוטה. על ידי ניטור מדויק של מרחקים כאלה עלינו אפוא להיות מסוגלים להצביע על מעבר הגל.

האתגר הוא שכאשר אדווה בבריכה מתה כשהיא מתפשטת, אדווה כבידה מדללת בזמן שהיא עוברת ממקורה. מכיוון שהתנגשות קוסמית גדולה מתרחשת בדרך כלל רחוק מאיתנו (למרבה המזל), עד שגלים הכבידה שהושרו מגיעים לכדור הארץ, כמות המתיחות והסחיטה שהם גורמים הם זעירים - פחות מקוטר אטומי. איתור שינויים כאלה הוא בקנה אחד עם מדידת המרחק מכדור הארץ לכוכב הקרוב מעבר למערכת השמש ברמת דיוק טובה יותר מעובי גיליון הנייר.

הניסיון הראשון, החלוץ על ידי ג'וזף וובר מאוניברסיטת מרילנד בשנות ה -60, השתמש בגלילי אלומיניום מוצקים מרובי טון, בתקווה שהם יהדהדו בעדינות כמו מזלגות כוונון ענקיים בתגובה לגל כבידה חולף. בתחילת שנות השבעים, וובר טען להצלחה, בגדול. הוא דיווח כי גלי הכבידה מצלצלים לגלאי שלו כמעט על בסיס יומי. ההישג הרציני הזה נתן השראה לאחרים לאשש את טענותיו של וובר, אך לאחר שנים של ניסיון, איש לא הצליח לתפוס אפילו גל אחד.

אמונתו העקשנית של וובר בתוצאותיו, הרבה אחרי שהראיות המצטברות שהועלו אחרת, תרמה לפרספקטיבה שצבעה את התחום במשך עשרות שנים. במהלך השנים, מדענים רבים האמינו, וכך גם איינשטיין, שגם אם גלי הכבידה היו אמיתיים, הם פשוט היו חלשים מכדי שיוכלו להתגלות אי פעם. מי שיצא למצוא אותם נמצא בשגרה של שוטה, ומי שהאמין שטענות לגילוי שולל.

עד שנות השבעים פנו המעטים שעדיין חלו בבאג גל הכבידה לתכנית גילוי מבטיחה יותר בה ישמשו לייזרים כדי להשוות את אורכם של שתי מנהרות ארוכות זהות המכוונות 90 מעלות זו לזו. גל כבידה חולף היה מותח מנהרה אחת תוך כדי סחיטת השנייה, ומשנה מעט את המרחקים הנעים על ידי קרני לייזר שנורים לאורך כל אחת מהן. לאחר מכן משולבים מחדש שתי קרני הלייזר, התבנית המתקבלת שהאור נוצר רגישה להבדלים דקים באיזו מרחק עבר כל קרן. אם גל הכבידה מסתובב, אפילו ההפרעה הזעירה שהוא יוצר תשאיר דפוס לייזר שונה בעקבותיו.

זה רעיון יפה. אולם ג'קמרים סמוכים, משאיות רועמות, משבי רוח או עצים נופלים עלולים להפריע לניסוי כזה. כאשר מחפשים הפרשי אורך של פחות ממיליארד מיליארדית מטר, היכולת להגן על המנגנון מפני כל תסיסה סביבתית אפשרית, קלה ככל שיהיה, הופכת לראשונה. עם אותה דרישה בלתי-נסתרת לכאורה, סיפקו המסייעים תחמושת נוספת. תפיסת גל כבידה הייתה הופכת את שמיעתו של הורטון למי, אפילו מעל הלהיט השואג של הרכבת התחתית של העיר ניו יורק, משחק ילדים בלבד.

אף על פי כן, הפיזיקאים האמריקאים קיפ תורן וריינר ווייס, שאליו הצטרפו לימים הפיזיקאי הסקוטי רונלד דרייבר, חלמו לבנות גלאי גלי כבידה מבוסס לייזר, והם הציבו את הגלגלים לתנועה כדי להפוך את החלום למציאות.

בשנת 2002, לאחר כמה עשורים של מחקר ופיתוח והשקעה של יותר מ -250 מיליון דולר של הקרן הלאומית למדע, נפרסו שני פלאים מדעיים וטכנולוגיים המרכיבים את LIGO (Observatory Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) בליווינגסטון, לואיזיאנה, ו הנפורד, וושינגטון. מנהרות מפונות באורך ארבעה קילומטרים בצורת אות ענקית "L" יכללו קרן לייזר חזקה פי 50, 000 ממצביע לייזר רגיל. אור הלייזר היה מקפץ קדימה ואחורה בין המראות החלקות ביותר של העולם, מונחות בקצוות הנגדים של כל זרוע, ומחפשות אי התאמה זעירה בזמן שלוקח לכל אחת להשלמת המסע.

החוקרים המתינו. וחיכה. אבל אחרי שמונה שנים, כלום. מאכזב, ליתר ביטחון, אך כפי שטענו צוותי המחקר, לא מפתיע. החישובים הראו כי LIGO בקושי נמצא בסף הרגישות הנחוץ לגילוי גלי כבידה. אז בשנת 2010, ה- LIGO הושבת עבור שדרוגים שונים, בהיקף של יותר מ -200 מיליון דולר, ובסתיו 2015 הופעל LIGO משופר, רגיש פי כמה. באופן מזעזע, פחות מיומיים לאחר מכן, צמרמורת פתאומית רעשה את הגלאי בלואיזיאנה, ושבע אלפיות השנייה לאחר מכן גילה הגלאי בוושינגטון כמעט באותו אופן. התבנית של התנודות העדינות התאימה למה שהדמיות מחשב חזו לגלי הכבידה שיופקו על ידי הגב הסופי של חורים שחורים המסתובבים זה בזה.

חבר שלי מבפנים, נשבע לסודיות אך מוכן לספק רמז לא כל כך עדין, אמר לי, "רק דמיין שהחלום הכי פרוע שלנו התגשם." אבל זה היה הלהיט הזה בכל קופת גל הכבידה זה נתן לחוקרים הפסקה. זה היה כמעט מושלם מדי.

מנגנון ליגו מכשיר ה- LIGO תלוי במראות מהונדסות - ונקיות לחלוטין -. (מאט היינץ / Caltech / MIT / LIGO Lab)

עם כמה חודשים של מאמץ אינטנסיבי וחרוץ לחקור בקפידה את כל ההסברים האחרים, בלתי סבירים ככל שיהיו, נותרה רק מסקנה אחת עומדת. האות היה אמיתי. מאה שנה לאחר שאינשטיין חזה את קיומם, האיתור הישיר הראשון של גלי הכבידה נחגג על ידי יותר מאלף מדענים שעבדו על ניסוי LIGO. הם תפסו את הלמול הרגעי של צונאמי כבידתי שפרץ לפני יותר ממיליארד שנה, שריד של מיזוג אפל אי שם בשמיים הדרומיים העמוקים.

ההודעה הרשמית בעיתונות, ב- 11 בפברואר בוושינגטון הבירה, הייתה חשמלית. במוסד הפרטי שלי, אוניברסיטת קולומביה, היינו צריכים להעביר את זרם ההליך החי לאחד המקומות הגדולים בקמפוס, וסיפורים דומים שיחקו באוניברסיטאות ברחבי העולם. לרגע קצר, גלי הכבידה גרמו לחיזוי הנשיאות.

ההתרגשות הייתה מוצדקת. ההיסטוריה תסתכל לאחור על התגלית כאחת מאותן נקודות ניפוי מעטות המשנות את מהלך המדע. מאז שהאדם הראשון הביט לשמיים, חקרנו את היקום בעזרת גלי אור. הטלסקופ שיפר משמעותית יכולת זו, ואיתו נתקלנו בפאר הנופים הקוסמיים החדשים. במהלך המאה ה -20 הרחבנו את סוגי אותות האור שאנו מזהים - אינפרא אדום, רדיו, אולטרה סגול, גמא וצילומי רנטגן - כל צורות האור אך עם אורכי גל מחוץ לטווח שאנו יכולים לראות בעין בלתי מזוינת. ועם בדיקות חדשות אלה, הנוף הקוסמי התעשר.

גלי כבידה הם סוג שונה לחלוטין של בדיקה קוסמית, עם פוטנציאל השלכות דרמטיות עוד יותר. ניתן לחסום אור. חומר אטום, כמו גוון חלון, יכול לחסום אור גלוי. כלוב מתכת יכול לחסום גלי רדיו. לעומת זאת כוח המשיכה עובר בכל דבר, כמעט ללא שינוי.

וכך, עם גלי הכבידה כמו בדיקה שלנו נוכל לבחון תחומים שהם מחוץ לתחום לאור, כמו ערבול החלל הכאוטי כששני חורים שחורים מתנגשים או אולי הרעש הפרוע של המפץ הגדול עצמו, לפני 13.8 מיליארד שנה. התצפית כבר אישרה את הרעיון שחורים שחורים עשויים ליצור זוגות בינאריים. עדיין יותר מפתה, אנו עשויים למצוא נוף אפל שמאוכלס בדברים שעדיין לא דמיינו אפילו.

כשרשת גלאים ברחבי העולם - באיטליה, גרמניה, בקרוב יפן וכנראה הודו - מאגרים את הנתונים שלהם, בתקווה שיצטרפו אליהם בעתיד גלאי עצום הפועל בחלל, היכולת שלנו לחקור את הקוסמוס תנקוט קפיצת ענק נוספת. קדימה. שזה מרגש לגמרי. אין דבר מעורר השראה יותר מהיכולת שלנו, באמצע המאבקים הארציים שלנו שנמצאים עד כה, להסתכל למעלה, לתהות ולזכות בכושר ההמצאה והמסירות לראות קצת יותר רחוק.

**********

צפה בסופר בריאן גרין מסביר גלי כבידה :

איתור גלי הכבידה היה פריצת דרך מדעית, אך מה הלאה?