בפעם השלישית מזה שנה וחצי, מצפה הכוכבים המתקדמים בלייזר אינטרפרומטר גל גלים של כבידה. על פי השערתו של איינשטיין לפני מאה שנה, זיהוי האדוות הללו במרחב-זמן - בפעם השלישית, לא פחות - מממש את ההבטחה לתחום אסטרונומיה שמפתה מדענים מזה עשרות שנים, אך נראה היה שהוא תמיד שקר רק מתוך טווח ההגעה שלנו.
תוכן קשור
- כיצד אסטרופיסיקאים מצאו חור שחור שבו אף אחד אחר לא יכול היה
- הכירו את צוות המדענים שגילה גלי כבידה
- גלי הכבידה מכים פעמיים
כאסטרופיזיקאי גל-כבידה וכחבר בשיתוף הפעולה המדעי של LIGO, אני נרגש באופן טבעי לראות את החזון של כל כך הרבה מאיתנו להפוך למציאות. אבל אני רגיל למצוא את עבודתי שלי מעניינת ומרגשת יותר מאנשים אחרים, כך שהמידה בה נראה העולם כולו מוקסם מההישג הזה הפתיעה משהו.
אולם ההתרגשות ראויה היטב. על ידי איתור גלי הכבידה הללו בפעם הראשונה, לא רק שאימתנו באופן ישיר תחזית מפתח לתורת היחסות הכללית של איינשטיין באופן משכנע ומרהיב, אלא פתחנו חלון חדש לחלוטין שיחולל מהפכה בהבנתנו את הקוסמוס. .
תגליות אלה כבר השפיעו על הבנתנו את היקום. ו- LIGO רק מתחיל.
**********
בבסיסו, דרך חדשה זו להבנת היקום נובעת מהיכולת החדשה שלנו לשמוע את פסקולו. גלי הכבידה אינם למעשה גלי קול, אך האנלוגיה מתאימה. שני סוגי הגלים נושאים מידע בצורה דומה, ושניהם תופעות עצמאיות לחלוטין מהאור.
גלי הכבידה הם אדוות בזמן-חלל המתפשטות כלפי חוץ מתהליכים אלימים ואנרגטיים מאוד במרחב. הם יכולים להיווצר על ידי חפצים שאינם מאירים, והם יכולים לנוע דרך אבק, חומר או כל דבר אחר, מבלי להיקלט או לעוות. הם נושאים מידע ייחודי על המקורות שלהם שמגיע אלינו במצב בתולי, ומעניקים לנו תחושה אמיתית של המקור שלא ניתן להשיג בשום דרך אחרת.
תורת היחסות הכללית אומרת לנו, בין השאר, שכוכבים מסוימים יכולים להיות צפופים עד כדי כך שהם סוגרים את עצמם משאר היקום. חפצים יוצאי דופן אלה נקראים חורים שחורים. תורת היחסות הכללית גם ניבאה שכאשר זוגות של חורים שחורים מקיפים זה את זה במערכת בינארית, הם מעוררים זמן-חלל, ממש מרקם הקוסמוס. ההפרעה הזו של זמן-חלל היא זו שמעבירה אנרגיה על פני היקום בצורה של גלי כבידה.
אובדן אנרגיה גורם לבינארי להידוק עוד יותר, עד שבסופו של דבר שני החורים השחורים מתנפצים זה לזה ויוצרים חור שחור יחיד. התנגשות מרהיבה זו מייצרת יותר כוח בגלי הכבידה ממה שמוקרן כאור על ידי כל הכוכבים ביקום יחד. אירועים קטסטרופלים אלה נמשכים רק עשרות אלפיות השנייה, אך במהלך תקופה זו הם התופעות החזקות ביותר מאז המפץ הגדול.
הגלים הללו נושאים מידע על החורים השחורים שאי אפשר להשיג בשום דרך אחרת, מכיוון שהטלסקופים אינם יכולים לראות עצמים שאינם פולטים אור. עבור כל אירוע, אנו יכולים למדוד את מסות החורים השחורים, את קצב הסיבוב שלהם או את "הסיבוב", ואת הפרטים על מיקומם וכיוונם בדרגות שונות של ודאות. מידע זה מאפשר ללמוד כיצד חפצים אלו נוצרו והתפתחו לאורך זמן קוסמי.
למרות שבעבר היו לנו עדויות חזקות לקיומם של חורים שחורים על סמך השפעת כוח המשיכה שלהם על הכוכבים והגז הסובבים, המידע המפורט מגלי הכבידה הוא לא יסולא בפז ללימוד על מקורם של אירועים מרהיבים אלה.
מבט אווירי של גלאי הגל הכבידה של ליגו בליווינגסטון, לואיזיאנה. (ליגו, CC BY-NC-ND) **********
על מנת לאתר את האותות השקטים להפליא, חוקרים בנו שני מכשירי LIGO, האחד בהנפורד, וושינגטון והשני 3, 000 מיילים משם בליווינגסטון, לואיזיאנה. הם נועדו למנף את ההשפעה הייחודית שיש לגלי הכבידה על כל מה שהם נתקלים בהם. כאשר עוברים גלי כבידה הם משנים את המרחק בין עצמים. ישנם גלי כבידה העוברים אתכם ברגע זה, מכריחים את הראש, הרגליים וכל מה שביניהם לנוע קדימה ואחורה בצורה צפויה - אך לא מורגשת -.
אתה לא יכול להרגיש את האפקט הזה, או אפילו לראות אותו במיקרוסקופ, מכיוון שהשינוי כה זעיר להפליא. גלי הכבידה שנוכל לזהות באמצעות LIGO משנים את המרחק בין כל קצה הגלאים שאורכו 4 ק”מ בעשרה מטרים בלבד. כמה זה קטן? קטן פי אלף מגודלו של פרוטון - וזו הסיבה שאנחנו לא יכולים לצפות לראות אותו אפילו עם מיקרוסקופ.
מדעני LIGO עובדים על השעיית האופטיקה שלה. (מעבדת LIGO, CC BY-ND) כדי למדוד מרחק דקה כזה, LIGO משתמשת בטכניקה הנקראת "אינטרפרומטריה". חוקרים מפיצים את האור מלייזר בודד לשני חלקים. כל חלק אחר כך עובר במורד אחת משתי זרועות בניצב שאורכן כל אחת מיילים. לבסוף, השניים מתאחדים זה בזה ומורשים להתערב זה בזה. המכשיר מכויל בקפידה כך, בהיעדר גל כבידה, הפרעת הלייזר מביאה לביטול כמעט מושלם - שום אור לא יוצא מהאינטרפרומטר.
עם זאת, גל כבידה חולף ימתח זרוע אחת בו זמנית כשהוא לוחץ את הזרוע השנייה. עם שינוי האורך היחסי של הזרועות, ההפרעה של אור הלייזר כבר לא תהיה מושלמת. זה השינוי הזעיר הזה בכמות ההפרעות שממשק LIGO מתקדם למעשה, ואותה המדידה אומרת לנו מה צריך להיות הצורה המפורטת של גל הכבידה החולף.
להקשיב
צליל שני חורים שחורים מתנגשים:לכל גלי הכבידה יש צורה של "ציוץ", כאשר גם המשרעת (דומה לרעשות) וגם התדר, או המגרש, של האותות גדלים עם הזמן. עם זאת, מאפייני המקור מקודדים בפרטים המדויקים של הציוץ הזה וכיצד הוא מתפתח עם הזמן.
צורת גלי הכבידה שאנו צופים בתורם יכולה לספר לנו פרטים על המקור שלא ניתן היה למדוד בשום דרך אחרת. עם שלושת הגילויים הבטוחים הראשונים של Advanced LIGO, כבר גילינו כי חורים שחורים נפוצים יותר ממה שציפינו אי פעם, וכי הזן הנפוץ ביותר, שנוצר ישירות מהתמוטטות כוכבים מאסיביים, יכול להיות מסיבי יותר מכפי שהיה לנו בעבר מחשבה אפשרית. כל המידע הזה עוזר לנו להבין כיצד כוכבים מאסיביים מתפתחים ומתים.
שלוש הגילויים שאושרו על ידי LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) וגילוי ביטחון נמוך יותר (LVT151012), מצביעים על אוכלוסיית חורים שחורים בינוניים במסת הכוכבים, אשר לאחר שהתמזגו, גדולים מ- 20 מסות שמש - גדולים ממה היה ידוע לפני כן. (ליגו / קלטק / מדינת סונומה (אורורה סימונט), CC BY-ND) **********
האירוע האחרון הזה, שגילינו ב- 4 בינואר, 2017, הוא המקור הרחוק ביותר שצפינו עד כה. מכיוון שגלים כבידה נודדים במהירות האור, כאשר אנו מסתכלים על עצמים רחוקים מאוד, אנו מסתכלים גם אחורה בזמן. אירוע אחרון זה הוא גם מקור גל הכבידה העתיק ביותר שגילינו עד כה, שהתרחש לפני למעלה משני מיליארד שנה. אז, היקום עצמו היה קטן ב -20 אחוזים מכפי שהוא כיום, וחיים רב-תאיים טרם התרחשו על פני כדור הארץ.
מסת החור השחור הסופי שהושאר אחריו לאחר ההתנגשות האחרונה היא פי 50 ממסת השמש שלנו. לפני האירוע שהתגלה לראשונה, ששקל פי 60 ממסת השמש, אסטרונומים לא חשבו שיכולים להיווצר חורים שחורים מסיביים כאלה. בעוד שהאירוע השני היה רק 20 מסות שמש, איתור אירוע מאסיבי נוסף זה מרמז שמערכות כאלה לא רק קיימות, אלא יכולות להיות שכיחות יחסית.
בנוסף להמונים שלהם, חורים שחורים יכולים גם להסתובב, וספינים שלהם משפיעים על צורת פליטת הגל הכבידה שלהם. ההשפעות של ספין קשות יותר למדידה, אולם אירוע עדכני זה מראה עדויות לא רק לסיבוב, אלא פוטנציאל לסיבוב שאינו מכוון סביב אותו ציר כמו מסלולו של הבינארי. אם ניתן לחזק את המקרה להתאמה כזו על ידי התבוננות באירועים עתידיים, יש לכך השלכות משמעותיות על הבנתנו כיצד נוצרים זוגות החורים השחורים הללו.
בשנים הבאות יהיו לנו מכשירים נוספים כמו LIGO שמאזינים לגלי כבידה באיטליה, ביפן ובהודו, ונלמד עוד יותר על מקורות אלה. הקולגות שלי ואני עדיין ממתינים בשקיקה לגילוי הראשון של בינארי המכיל לפחות כוכב נויטרונים אחד - סוג של כוכב צפוף שלא היה מספיק מסיבי כדי להתמוטט עד חור שחור.
מרבית האסטרונומים חזו שזוגות של כוכבי נויטרונים ייצפו לפני זוגות החורים השחורים, כך שהיעדרם המתמשך יביא אתגר לתיאורטיקנים. הגילוי שלהם בסופו של דבר יאפשר שורה של אפשרויות חדשות לתגליות, כולל הסיכוי להבין טוב יותר מצבי חומר צפופים במיוחד, ובאופן פוטנציאלי לצפות בחתימת אור ייחודית באמצעות טלסקופים קונבנציונליים מאותו מקור כמו אות גל הכבידה.
אנו מצפים גם לגלות גלי כבידה במהלך השנים הקרובות מהחלל, באמצעות שעונים טבעיים מאוד מדויקים הנקראים פולסארים, המעבירים תקיעות של קרינה לדרכנו בפרקי זמן קבועים מאוד. בסופו של דבר אנו מתכננים להציב אינטרפרומטרים גדולים במיוחד במסלול, שם הם יכולים להתחמק מהרעשת המתמשכת של כדור הארץ, המהווה מקור רעש מגביל עבור גלאי LIGO המתקדמים.
כמעט בכל פעם שמדענים בנו טלסקופים חדשים או מאיצי חלקיקים, הם גילו דברים שאיש לא יכול היה לחזות. מרגש ככל שהסיכויים הידועים לגילוי הם בתחום חדש זה של אסטרופיזיקה של גל הכבידה, כתיאורטיקן אני הכי מתרגש מהנפלאות הלא ידועות שעדיין עומדות לרשותנו.
מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
שון מקוויליאמס, עוזר פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה, אוניברסיטת מערב וירג'יניה
