עדויות ראשונות לגילוי גלים כבידתיים

מדענים מגלאי LIGO בארצות הברית הכריזו בפעם הראשונה על גילוי של גלים כבידתיים. מנהל הגלאי, דיוויד רייצה (Reitze), דיווח כי בספטמבר אשתקד נצפו גלים שנוצרו מהתנגשות של שני חורים שחורים לפני 1.3 מיליארד שנה. מאז ספטמבר שקדו החוקרים בגלאי על בדיקת הנתונים ואימותם, והערב (חמישי) הכריזו על הגילוי.

תחזית בת מאה
אלברט איינשטיין חזה את קיומם של גלים כבידתיים כבר ב-1916, כחלק מתורת היחסות הכללית. הוא תיאר תנועה של גופים במרחב-זמן עקום, שמובילה לידי כך שפועל ביניהם כוח כבידה. אפשר למשל לחשוב על כדור באולינג שמונח במרכז טרמפולינה גדולה: הכדור הכבד מותח את הבד והקפיצים ומעקם את משטח הטרמפולינה. אם נניח שם כדור טניס, הוא יתגלגל ויימשך אל כדור הבאולינג בגלל השקע שיוצר הכדור הכבד. בצורה דומה כוכבים מעקמים את המרחב-זמן סביבם והגופים האחרים הנעים במרחב-זמן העקום נמשכים אליהם. הכוח הפועל בין הכוכב והגופים השונים הוא כוח הכבידה.

עכשיו נתקדם צעד נוסף: אם נניח שני כדורי באולינג במרכז הטרמפולינה ונניח להם לחוג זה סביב זה, התנועה שלהם תגרום לכך שמשטח הטרמפולינה ינוע וישנה את צורתו בהתמדה. אם נסתכל על שולי המשטח נראה שגם הם נעים, כי תנועת הכדורים יוצרת גלים במשטח שמתקדמים מהמרכז אל הקצה. בדומה לכך, לפי תורת היחסות, כשכוכבים גדולים ומסיביים נעים במחזוריות במרחב-זמן, הוא מתעקם ומשתנה באופן מחזורי ונוצרים בו גלים כבידתיים.

קטע מהחישובים של איינשטיין על גלים כבידתיים | צילום: האוניברסיטה העברית בירושלים

הדים קלושים
מאז התחזית של איינשטיין ניסו פיזיקאים למדוד את הגלים הכבידתיים הללו, אך המשימה אינה פשוטה כלל, משום שהגלים האלה חלשים מאוד. כוח הכבידה הוא החלש מארבעת הכוחות הפיזיקליים, וגלים כבידתיים הם למעשה שינויים זעירים בכוח הכבידה שמתקדמים במרחב. ככל שמתרחקים ממקור הגלים הם דועכים, ולכן הסיכוי לגלות גלים חלשים שהתקדמו מרחקים עצומים ביקום ודעכו קטן מאוד ודורש מכשירים רגישים במיוחד.

אחת הדרכים למדידת כוחות חלשים היא הגברת האותות באמצעות תופעת התהודה (רזוננס) – תגובה חזקה מאוד של מערכת לתדר מסוים שנקרא "התדר העצמי של המערכת" או "תדר התהודה". דוגמה נפוצה לכך היא נדנדה תלויה. אם נדחף אותה, אפילו דחיפה חלשה, בקצב קבוע המתאים לתדר התהודה שלה, התנודה תגדל מהר ונוכל להגיע לגבהים. אם ננדנד את הנדנדה בקצב שונה מתדר התהודה שלה התגובה כבר תהיה הרבה יותר חלשה והדחיפה לא תהיה אפקטיבית.

הניסיון הראשון למדוד גלים כבידתיים נעשה באמצעות "מוט ובר" – מכשיר שהמציא ג'וזף ובר (Weber) בשנות ה-60. המכשיר כולל מוטות אלומיניום גדולים וכבדים שרועדים כשגל כבידתי עובר דרכם. אם הגל הכבידתי ירעיד את המוטות בתדר התהודה שלהם, התגובה תהיה חזקה והמוטות ירעדו בתנודות גדולות.

ב-1968 הכריז ובר שהצליח למדוד בשיטה הזו גלים כבידתיים, אך ניסיונות לשחזר את המדידות שלו לא העלו דבר ונראה שהוא טעה בניתוח המדידות ולא התייחס נכון לרעשי רקע. הניסיון של ובר אמנם לא צלח, אך הוא פתח את החיפוש אחרי גלים כבידתיים והניח את היסודות לחוקרים אחרים שהמשיכו אחריו.

עם השנים הוקמו עוד גלאים של גלים כבידתיים, שפועלים בשיטות דומות. ביניהם היו גלאי AURIGA בצפון איטליה או הגלאי של אוניברסיטת ליידן בהולנד, המורכב מכדור מתכת כבד במקום מוטות. גם הם לא הניבו תוצאות עד כה.

ג'וזף ובר והגלאי שפיתח, 1969 | צילום: Volker Steger / Science Photo Library

רגישות גבוהה
האמצעי המתקדם ביותר למדידת גלים כבידתיים, שאחראי גם לשמועות הנוכחיות בנושא, הוא הגלאי LIGO (ראשי תיבות של Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), בארצות הברית. הוא נבנה בעלות של כ-620 מיליון דולר בשיתוף פעולה של 14 מדינות. יותר מ-900 מדענים עוסקים בתכנון ובביצוע ניסויי המדידה בשתי מערכות הגילוי, בלואיזיאנה ובמדינת וושינגטון.

המדידה של LIGO מתבססת על שיטה שנקראת "אינטרפרומטריה" – ראשית מפצלים קרן לייזר לשני כיוונים שונים (שתי זרועות). בקצה כל זרוע יש מראה שמחזירה את הקרניים לנקודת הפיצול, שם הקרניים שבות ונפגשות, ועוברות התאבכות. אם גלי האור חוזרים ושניהם בשיא הגל, הם יגבירו זה את זה (התאבכות בונה). אם גל אחד בשיאו והשני הפוך לו הם יבטלו זה את זה (התאבכות הורסת). באמצעות גלאי עוצמה אפשר להבחין בין שני המקרים ולדעת אם הקרניים עברו מרחק שווה.

כשגל כבידתי עובר באזור הניסוי, המרחב-זמן מתרחב ומתכווץ והמרחקים שעוברות שתי הקרניים משתנים. בהתאם לכך תשתנה גם תבנית ההתאבכות, ואת השינויים האלה מנסים למדוד ב LIGO. הבעיה היא שהגל הכבידתי ייצור שינוי קטן מאוד, של כ-10^-19 מטר (עשירית מתוך החלק המיליארד של החלק המיליארד של מטר, כלומר בערך 1/10,000 מגודלו של פרוטון!). כדי למדוד את השינוי הזה נחוץ גלאי מאוד רגיש וצריך גם לדעת להבדיל בין הגל הכבידתי לבין רעשים חיצוניים, שיכולים להיגרם מרעידות אדמה זעירות או אפילו ממכונית שנוסעת בקרבת מקום.

LIGO הוא האינטרפרומטר הגדול והרגיש ביותר בעולם. קרני הלייזר נעות בתוך צינור רִיק שאורך כל זרוע שלו ארבעה קילומטרים. בקצות הזרועות יש מראות והקרניים עוברות ביניהן 400 פעם, כלומר כל קרן עוברת מסלול של 1,600 ק"מ לפני שהיא מגיעה לגלאי עצמו! המסלול הארוך הזה מגביר את הרגישות של המערכת ואת יכולתה להבחין גם בשינויים זעירים. הגלאי גם מבודד מרעידות ומרעשים חיצוניים, כדי לוודא שימדוד רק את השינויים בתבנית ההתאבכות שנובעים מגלים כבידתיים.

ב-14.9.2015 נקלטו בגלאי LIGO תנודות שנוצרו מהתנגשות של שני חורים שחורים במרחק 1.3 מיליארד שנות אור. כל אחד מהם כבד פי 30 בערך מהשמש שלנו, אף שקוטרם כ-150 ק"מ בלבד. שני החורים השחורים חגו זה סביב זה והתקרבו זה לזה בהדרגה, עד שהתאחו לחור שחור אחד באירוע אלים שיצר גלים כבידתיים חזקים מאוד. הגלים האלה יצאו למסעם בזמן שהחיים על כדור הארץ היו רק בראשיתם, אך בסופו של דבר הגיעו לכאן ויצרו תנודות זעירות בקרני הלייזר של LIGO.

החוקרים הצליחו לאמת את מקור הגלים משום שהפרעה דומה נקלטה בהפרש של כמה אלפיות השניה, תחילה בגלאי בלואיזיאנה ואחר כך בגלאי דומה במדינת וושינגטון. תצפית כזאת גם מחזקת את ההערכה שמדובר באירוע קוסמי ממשי ולא ברעש רקע, וגם מאפשרת לחוקרים לזהות את הכיוון שהגלים הגיעו ממנו, וכך להתחקות אחרי מקורם.

החוקרים הסבירו עוד כי האות שנוצר בהתנגשות כזו הוא בעל מאפיין ייחודי – תדירותו ועוצמתו גדלות בהדרגה עד לנקודת השיא של התמזגות החורים השחורים, ואחר כך הן דועכות בהדרגה. המאפיינים האלה חושבו על פי התחזית של איינשטיין והממצאים התאימו לחישובים בדיוק רב.

קרן לייזר שעוברת 1,600 ק"מ בצינור. גלאי LIGO | צילום: נאס"א

להשלים את הפאזל
המקום המבודד ביותר מרעשים ומהפרעות חיצוניות הוא החלל. לכן שיגרה סוכנות החלל האירופית (ESA) בסוף 2015 את החללית LISA Pathfinder, שהיא בעצם אינטרפרומטר מעופף. LISA (קיצור של Laser Interferometer Space Antenna) נושאת שתי מסות זהות, במרחק של 38 ס"מ זו מזו, ומודדת בדיוק רב את מרחקן באמצעות אינטרפרומטר קטן.

המדידה הזאת לא יכולה להבחין בגלים כבידתיים, אבל היא תאפשר למדענים להבין את התנועה היחסית בין המסות בחלל, למדוד רעשי רקע שונים ולבדוק טכנולוגיות חדשות. בהתאם לתוצאות הניסוי יוכלו לתכנן את הפרויקט הבא – LISA/eLISA, שבו שלוש חלליות יהיו במרחק של מיליוני קילומטרים זו מזו וייצרו יחד אינטרפרומטר ענק שיוכל למדוד גלים כבידתיים.

מיזם eLISA היה במקור תוכנית משותפת של סוכנות החלל האירופית והסוכנות האמריקאית (נאס"א), אולם ב-2011 ויתרו האמריקנים על מעורבותם משיקולי תקציב והאירופים המשיכו בו לבדם, למרות העיכובים והקשיים.

לפני כשנתיים הכריזו חוקרים מהטלסקופ BICEP בקוטב הדרומי שהם מדדו עדויות לגלים כבידתיים בקרינת הרקע הקוסמית– קרינה אלקטרומגנטית בתחום המיקרוגל (אורך גל של סנטימטרים אחדים) שמגיעה אלינו מכל הכיוונים בשמיים. קרינת הרקע נוצרה כ-400 אלף שנה אחרי המפץ הגדול, עם היווצרם של האטומים הראשונים מחלקיקי היסוד, והיא נמצאת בכל מקום ביקום. על פי הממצאים שעוררו עניין רב בקהילת הפיזיקה ובתקשורת העולמית, הגלים הכבידתיים שנבעו מהמפץ הגדול יצרו תבניות בקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית, ואותן מדדו החוקרים מ-BICEP.

למרבה הצער, לאחר ניתוח מעמיק יותר של הנתונים, ומדידות מגלאי נוסף, התברר שהשינויים בקיטוב נוצרו בגלל חלקיקי אבק בחלל שאת השפעתם לא העריכו נכון בתחילה. כך נגנזה עוד הכרזה על גילוי של גלים כבידתיים.

הסקרנות הרבה שמעוררים הגלים האלה לא נובעת רק מהסיכוי לאשר תחזית של איינשטיין מלפני מאה שנים. מדידה של גלים כבידתיים תיתן לנו מידע על גרמי שמיים שאינם מפיצים קרינה אלקטרומגנטית רבה כמו אור נראה או גלי רדיו, למשל כוכבי נייטרונים או חורים שחורים. גלים כבידתיים יספקו הצצה מרתקת לפיזיקה בשדות כבידה חזקים מאוד, שכיום אנחנו יודעים עליה מעט מאוד. "אנו פותחים צוהר חדש ליקום", הכריז רייצה בהודעה על הגילוי. "תחום האסטרונומיה בגלים כבידתיים יאפשר לנו לראות דברים שלא ראינו עד כה".

הפיזיקאים מקווים במיוחד שמדידת גלים כבידתיים תוביל סוף סוף לפיתוח תיאוריה מאוחדת: מערכת משוואות שתחבר את הכבידה לשלושת הכוחות הפיזיקליים האחרים (הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש), ותאפשר להסביר את רוב התופעות ביקום באמצעות תיאוריה פיזיקלית אחת. זו היתה השאיפה הגדולה של איינשטיין ושל פיזיקאים רבים אחרים במאה ה-20 והיא נשארה משאת נפשם של הפיזיקאים גם במאה ה-21. אולי היכולת לאתר סוף סוף את הגלים הכבידתיים החמקמקים תקרב את המדענים צעד אחד נוסף להגשמת החלום הזה.