גלאי גלי הכבידה הגדול הראשון מתחת לפני האדמה – KAGRA ביפן – עומד להתחיל לפעול

בקיצור

  • מחקרים על גלי כבידה, המתבססים על שלושה גלאים, מחוללים מהפכה בהבנת חורים שחורים, כוכבי ניטרונים וגופים אסטרופיזיקליים אחרים.
  • גלאי רביעי, שנקרא "גלאי גלי הכבידה של קמיוקה" (KAGRA), אמור להיכנס לפעולה בסוף 2019.
  • KAGRA הוא גלאי גלי הכבידה הראשון שנבנה מתחת לפני האדמה ושיפעל בטמפרטורות נמוכות מאוד, במטרה להגדיל את רגישותו. הוא עתיד לתת במה לשורה של חידושים שימלאו תפקיד חיוני בבניית הדור הבא של גלאים מתקדמים אף יותר לגלי כבידה.

גלי כבידה – אדוות במרחב-זמן שנוצרות מהתמזגויות של חורים שחורים, התנגשויות של כוכבי ניטרונים, התפוצצויות של סופרנובות וטלטלות קוסמיות אחרות – חוללו מהפכה באסטרופיזיקה. הלחשושים החמקמקים הללו במרקם המציאות נצפו לראשונה בשנת 2015, מאה שנה אחרי שאלברט איינשטיין חזה את קיומם, וכבר עכשיו הם מתחילים לגלות לנו סודות שרק הם יכולים לספר על העצמים האקזוטיים שמפיקים אותם.

צילום: אנריקו סאצ'טי

מחקרים בתחום גלי הכבידה סיפקו לחוקרים את הראיה הישירה הראשונה לקיומם של חורים שחורים, הניבו הערכות חדשות של קצב ההתפשטות של היקום, והראו שכוכבי ניטרונים הם הסַפָּקים העיקריים של זהב, פלטינה ויסודות כבדים אחרים ביקום. בסופו של דבר הם יאפשרו לחוקרים להציץ על היקום כפי שהיה בשברירי השניה הראשונים שאחרי המפץ הגדול.

את כוח החלוץ של העתיד המבטיח הזה אפשר למצוא במעמקיה של מערכת תת-קרקעית של מנהרות חשוכות. שם, בעומק של למעלה מ-200 מטר מתחת להר איקנויאמה שבמחוז גיפוּ במרכז יפן, צוות בינלאומי של מדענים, מהנדסים וטכנאים, שעובדים בשקידה כבר עשר שנים, בונה את גלאי גלי הכבידה קמיוקה (Kamioka Gravitational-Wave Detector, או KAGRA בראשי תיבות), שאמור להתחיל לפעול בסוף השנה הנוכחית.

צילום: אנריקו סאצ'טי

בקרוב יצטרף KAGRA לשלושת גלאי גלי הכבידה הפעילים כיום בעולם – צמד התחנות של גלאי גלי הכבידה באמצעות אינטרפרומטר לייזר (LIGO) בארצות הברית, שאחת מהן מוצבת בהנפורד שבוושינגטון, וחברתה בליווינגסטון שבלואיזיאנה, והמתקן המתקדם וירגו (Virgo) ליד פיזה באיטליה. מיקומו של KAGRA ביפן והזווית היחסית שלו לעומת וירגו ו-LIGO יספקו בדיקה בלתי תלויה של תצפיות הגלאים הקיימים אלו ויעצימו אותן, כך שהמדענים יוכלו למדוד ביתר דיוק את הנטיות ואת מהירויות הסיבוב של חורים שחורים ושל כוכבי ניטרונים שמתמזגים.

השילוב של ארבעת הגלאים האלו יקדם אותנו לפסגות חדשות של רגישות ושל דיוק, ויאפשר לנו למצוא אירועי גלי כבידה חלשים יותר מאלה שכבר גילינו ולקבוע את נקודות הציון המדויקות שלהם בחדות חסרת תקדים, שתאפשר להמשיך את המעקב אחריהם באמצעות טלסקופים רגילים. התמונות הנבחרות המצורפות לכתבה הזאת מציגות חלק מההכנות הטכניות האחרונות שנעשות כעת לפני ש-KAGRA תסתער על השמיים.

צילום: אנריקו סאצ'טי

כדי למצוא גלי כבידה, KAGRA משתמש בשיטה זהה לזאת של וירגו ו-LIGO: טכניקה בשם אינטרפרומטריית לייזר. במסגרת הגישה הזאת, קרן לייזר מוחזרת ממראות התלויות בקצותיהם של שני תאי רִיק דמויי צינור. אורכם של התאים הוא כמה קילומטרים והם מוצבים בניצב זה לזה, בצורת אות ר' גדולה. הלייזר משמש כסרט מידה שיכול לחשוף מתי גל כבידה שחלף דרך ההתקן מתח וכיווץ להרף עין את המרחב-זמן, ובתוך כך שינה את אורך התאים (ועל כן גם את המרחק הכולל שעוברת קרן אור).

ההפרעות האלה זעירות עד בלי די, קטנות הרבה יותר מהקוטר של פרוטון יחיד – ועל כן כל אחד ממתקני המדידה האלה נדרש לקחת בחשבון או לנטרל אין ספור רעשים מזהמים, החל בתנועות הסיסמיות הכבירות של רעידות אדמה וגאויות, וכלה בתנודות העדינות יותר שמחוללים מטוסים שעפים בשמיים ממעל, מכוניות חולפות, חיות בר המטיילות בסמוך ואפילו האטומים המפזזים שמהם מורכבת המראה במכשיר המדידה.

צילום: רוהן מהרה

ההבחנה בין אותות שאכן נובעים מגלי כבידה לבין "גלישות" שנובעות מרעש היא משימה כבירה – משימה שתרמה בעצמה שלל אזעקות שווא שנמהלו בעשרות הזיהויים האמיתיים שעליהם הכריזו עד כה במשותף וירגו ו-LIGO.

KARGA במעמקי ההר יהיה אינטרפרומטר הלייזר הגדול הראשון שנבנה והופעל כל כולו מתחת לפני הקרקע, הרחק משאון רעשי הרקע שעל פני האדמה. הוא גם יהיה אינטרפרומטר הלייזר הראשון שיעשה שימוש במראות שעברו קירור קריוגני – כל אחת מהמראות היא גליל מלוטש של גביש ספיר במשקל 23 קילוגרם – כדי להפחית בשיעור ניכר את התנודות התרמיות (תנודות הטמפרטורה) ולהזניק בהתאם את רגישות המכשיר. המראות של וירגו ו-LIGO מוחזקות בטמפרטורת החדר; המראות של KAGRA, לעומת זאת, יוחזקו בצינה של 20 מעלות מעל האפס המוחלט.

צילום: המכון לחקר קרניים קוסמיות, אוניברסיטת טוקיו

שני השדרוגים האלה יוכלו להלכה לאפשר ל-KAGRA לגלות גלי כבידה שיגיעו ממקורות חלשים יותר מאלה שמזהים וירגו ו-LIGO, אבל יש להם גם חסרונות: מקררים מכניים אומנם שומרים על הטמפרטורה הנמוכה של המראות שעליהן מוקרן הלייזר, אבל גם מוסיפים למדידה רעש של תנודות שהם מחוללים בעצמם. בנוסף, מי גשם ומי שלג שהפשיר מחלחלים לתוך המנהרות של KAGRA ומחייבים את הפועלים להתקין יריעות פלסטיק להגנה על הציוד העדין. למרות ההגנה הזאת, הלחות עלולה לעצור את פעילות הגלאי בתקופות הלחות של השנה.

אם הכול יתנהל לפי התוכניות, KAGRA לא רק יסייע לנו לחשוף תגליות חשובות נוספות, אלא גם תדגים את הטכנולוגיות החדשות שיופעלו כנראה בדור הבא של גלאים מתקדמים לגלי כבידה ברחבי העולם.

צילום: אנריקו סאצ'טי

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון נובמבר 2019 של סיינטיפיק אמריקן

לעיון נוסף

  • The Detection of Gravitational Waves with LIGO. Barry C. Barish. Paper presented at the American Physical Society Division of Particles and Fields Conference, Los Angeles, Calif., January 5–9, 1999. Preprint available at https://arxiv.org/abs/gr-qc/9905026
  • Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration in Physical Review Letters, Vol. 116, No. 6, Article No. 061102; February 12, 2016.
  • KAGRA: 2.5 Generation Interferometric Gravitational Wave Detector. The KAGRA Collaboration in Nature Astronomy, Vol. 3, pages 35–40; January 2019.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

 

0 תגובות