מאות מדענים השתמשו בכוכבים ייחודיים כדי לגלות גלים כבידתיים חלשים בהרבה מאלה שנתגלו עד כה, ולהבין טוב יותר את המתרחש בחורים שחורים גדולים במיוחד
כבר 15 שנים שמאות מדענים מרחבי העולם משתתפים במשימה נועזת, שמטרתה לבחון את גבולות הידע האנושי ולפתוח צוהר חדש, שדרכו נוכל למדוד ולהבין את היקום סביבנו. בשבוע שעבר הם הכריזו כי עמדו במשימה. כמה קבוצות מדענים מרחבי העולם מדדו לראשונה גלים כבידתיים ארוכים במיוחד אשר מגיעים מכל רחבי היקום ושוטפים את הגלקסיה שלנו. הגלים נוצרו כנראה מהתמזגות של חורים שחורים על-מסיביים לאחר איחוד הגלקסיות שאכלסו אותם.
גלים כבידתיים נוצרים מאירועים קיצוניים והם מתקדמים במהירות האור תוך מתיחת וכיווץ המרחב והזמן באופן מחזורי. לכן, מדידה שלהם מאפשרת לחקור את האירועים הקיצוניים שיצרו אותם, לבחון את נכונות היחסות הכללית של אלברט איינשטיין ואת נכונותן של תיאוריות נוספות ומתחרות. הרחבת תחום התדירויות של גלי הכבידה שאנו מסוגלים למדוד מרחיבה גם את מגוון התופעות שאנו יכולים לחקור.
הגלים הכבידתיים שנוצרו בהתמזגות של חורים שחורים על-מסיביים, הפולסארים וטלסקופים על כדור הארץ | איור: Olena Shmahalo, NanoGrav
גלאי בגודל מאות שנות אור
המדענים מדדו את הגלים הכבידתיים בעזרת כ-70 כוכבים מסוג פולסארים שנמצאים בכיוונים שונים ובמרחקים של כמה מאות עד כמה אלפי שנות אור מאיתנו – סביבתנו הקרובה במונחים גלקטיים. פולסארים הם גופים בעלי צפיפות אדירה, כמו זו של גרעין האטום, בעלי מסה דומה לזו של השמש שלנו, דחוסה לגודל של עיר. הם מסתובבים סביב עצמם כמו כדור הארץ או השמש, אך בעוד שכדור הארץ משלים רק סיבוב אחד ביממה, הפולסארים שנבחרו מסתובבים סביב עצמם מאות פעמים בשנייה. השדות המגנטיים שלהם גדולים פי מיליארד מזה של כדור הארץ, והם פולטים כל העת קרינה חזקה מאוד מהקטבים המגנטיים שלהם. תצפית על פולסארים כאלה בטלסקופ רדיו קרקעי, תרשום הבזק בכל פעם שהקרניים המסתובבות פוגעות בכדור הארץ. כך, הפולסארים בזווית מתאימה נראים לנו כמו מגדלורים בחלל, שמהבהבים כל העת בקצב מהיר, קבוע ומדויק.
כמו מגדלור קוסמי. הסיבוב המהיר של הפולסאר נקלט אצלנו כמו הבזקים בכל פעם שהקרן הקוטבית שלו מכוונת לעברנו | איור: Michael Kramer, Manchester University, Wikipedia
כאשר גל כבידתי מכווץ או מרחיב את המרחב-זמן ביננו לבין פולסר, הדבר משנה מעט את קצב הגעתם של האותות לכדור הארץ, ומאפשר לנו למדוד את הגלים הכבידתיים. אך לא רק גלים כבידתיים משנים את קצב ההבהובים. תנועת כדור הארץ, השמש, מאפייני האבק הבין-כוכבי, כל אלו משפיעים על קצב הגעת האותות יותר מאשר הגלים הכבידתיים. כדי להתגבר על כך, המדענים פיתחו מודלים מדויקים אשר התחשבו בגורמים אלו וחזו בדיוק רב מתי יתקבלו האותות. עבור חלק מהפולסרים דיוק התחזית היה גבוה מהדיוק של שעונים אטומיים.
אך המדענים לא מדדו גל בעל תדר ברור ויחיד, אלא את רעש הרקע של הגלים הכבידתיים שמקורות שונים יוצרים אותם במקביל. לא מספיק לחקור פולסאר יחיד כדי להבדיל בין גלים כבידתיים לבין "סתם רעשים". לשם כך היה עליהם לנתח את מידת המִתְאָם בין שינוי האותות של עשרות פולסרים בשמים. לדברי הפיזיקאי לוק זולטן קלי (Kelley) שהשתתף במחקר מטעם שיתוף הפעולה הצפון-אמריקאי, ננוגרב (NANOGrav), "אתה רואה שינויים של אלפיות השניה כל הזמן. זה סתם רעש הנוצר מתהליכים שונים. אבל אתה צריך לחפור עמוק מעבר לכך ולחפש את אותו מִתְאָם בין האותות כדי לקלוט שינויים בני פחות ממיליונית השניה".
גילוי הגלים הכבידתיים האלה נעשה בעזרת טלסקופי רדיו גדולים. אנטנות של מערך VLA בניו מקסיקו, טלסקופ רדיו ששימש במחקר | צילום: IrinaK, Shutterstock
שיתוף הפעולה של NANOGrav ניתח נתוני תצפיות משלושה טלסקופי רדיו ענקיים, בהם טלסקופ ארסיבו בפוארטו ריקו, שקרס בשנת 2020. החוקרים מצאו כי האותות של עשרות הפולסארים משתנים באופן מתואם לפי סימן ההיכר הייחודי של הגלים הכבידתיים. הם ראו כי האותות שהגיעו אלינו מפולסארים הממוקמים באותו כיוון בשמים השתנו יחד, באופן מתואם, וכך גם האותות שהגיעו מפולסרים המופרדים בזווית הקרובה ל-180 מעלות. לעומתם, פולסארים שמיקומם בשמים נבדל בתשעים מעלות היו בעל מתאם שלילי - כאשר קצב האותות של פולסאר אחד התגבר, הקצב של פולסאר הניצב לו האט, ולהיפך. זאת למרות שהפולסארים מרוחקים זה מזה מאות ואלפי שנות אור. ממצא זה מאשר כי גלים כבידתיים יצרו שינויים זעירים בהבהובים שקלטו המדענים במשך 15 שנים.
המתאם בין האותות של פולסארים להפרדה ביניהם בשמיים (הנקודות בגרף משמאל) לעומת תחזית המתאם לפי היחסות הכללית (קו רציף) ומיפוי התצפיות והטלסקופים (מימין) | מתוך מאמר המחקר
מחורים שחורים לפיזיקה חדשה וראשית היקום
המדידה הישירה הראשונה של גלים כבידתיים פורסמה בשנת 2016. אז, מערכת הלייזרים של גלאי ליגו (LIGO) בארצות הברית הצליחה להתגבר על הרעש, ולמדוד את האות הקלוש שהתקבל מתנועת שני חורים שחורים זה סביב זה, רגע לפני מיזוגם. לפי הפיזיקאי קיפ ת'ורן (Thorn), אחד ממקבלי פרס נובל על התגלית המרעישה, "העינים שלנו רואות רק את האור הנראה, אבל יש הרבה מידע שאפשר לראות רק בתדירויות אחרות של גלים אלקטרומגנטיים. אסטרונומים מודדים גלי רנטגן וגלי רדיו ועוד הרבה תחומי תדר שונים של גלים אלקטרומגנטיים. אבל אם אנחנו רוצים לראות חורים שחורים מתמזגים או את ראשית היקום, אפשר לעשות זאת רק דרך תצפית של גלים כבידתיים".
כיום גלאי LIGO וגלאים נוספים של גלים כבידתיים עושים מדידות כאלה באופן כמעט יומיומי. עם זאת, בדומה לטלסקופים אחרים, LIGO רגיש לתחום תדרים מוגבל. אין ביכולתו למדוד את גלי הכבידה הנפלטים בעת מיזוגם של חורים שחורים על-מסיביים הנמצאים במרכזן של גלקסיות. חורים שחורים אלו הם בעלי מסה גדולה פי מאות אלפים עד פי מיליארדים מהשמש שלנו וגודלם משתווה למרחק בין כדור הארץ לשמש. בעוד LIGO מודד גלים כבידתיים בתדר שבין עשרות הרץ לאלפי הרץ (כלומר בין עשרות גלים לאלפי גלים בשנייה), שיטת המדידה החדשה מאפשרת למדוד גלים בעלי תדירות איטית בהרבה, בתחום הננו-הרץ (nHz). זמן המחזור של תנועתם, הוא בין שנים אחדות לכמה עשרות שנים, ואורך הגל של גלי הננו-הרץ הוא כמה שנות אור ויותר.
בשנים הבאות המדענים צפויים להמשיך לעקוב אחר הבהובי הפולסארים ולשפר את המדידות. הם מקווים כי יצליחו להפריד מרכיבים שונים של הגלים האלה מרעשי הרקע, ולחקור אותם לעומק. אך עולם המדע אינו קופא על השמרים, וכבר בוחן את משמעות התוצאות. הן נבחנות אל מול תחזיות של תאוריות פיזיקליות, ומספקות מידע אפשרי על החורים השחורים העל-מסיביים ועל והאינטראקציה ביניהם. איננו יודעים מה יתגלה בעתיד בעזרת הצוהר החדש שנפתח, אך נראה שיש עוד הרבה מקום להפתעות.
הסימפוניה הקוסמית של הגלים הכבידתיים - סרטון קצר על המחקר והתגלית (באנגלית):
