לשמוע חורים שחורים

ההכרזה על איתור גלי הכבידה לא רק מוכיחה שאיינשטיין צדק, אלא גם מעניקה לבני האדם דרך חדשה להביט ביקום
X זמן קריאה משוער: 8 דקות

לפני יותר ממיליארד שנה, בגלקסיה הרחוקה מאיתנו יותר ממיליארד שנות אור, שני חורים שחורים הסתחררו זה סביב זה עד שהתנגשו. את ההתנגשות הזו איננו מסוגלים לראות, אבל אנחנו יודעים שהיא התרחשה כי – כפי שחזה אלברט איינשטיין כבר לפני מאה שנה – היא פלטה גלי כבידה ששייטו ביקום עד שנקלטו על-ידי גלאי רגיש על פני כדור הארץ.

לפתע, היקום הפך למקום מעניין הרבה יותר. נפתח עידן חדש: עידן האסטרונומיה של גלי הכבידה.

התגלית הזאת, שעליה הכריזו ב-11 בפברואר חוקרים מניסוי LIGO (ראשי תבות של Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), מבשרת ניצחון נוסף לתורת היחסות הכללית של איינשטיין. ויתרה מכך, היא מבשרת את פתחו של עידן חדש בחקר היקום: עידן האסטרונומיה של גלי הכבידה. כך לפתע הפך היקום למקום מעניין הרבה יותר.

התגלית הייתה מעט מפתיעה: התנגשות בין שני חורים שחורים היא אירוע עצום אך נדיר. בשעה ששני החורים השחורים הסתחררו זה לעבר זה הם טלטלו את המרחב-זמן וחוללו גלים רועשים ומהירים מתמיד, חזקים כל כך עד ש-LIGO הצליח לאתר אותם אפילו ממרחק 1.3 מיליארד שנות אור, הרבה מעבר לציפיות החוקרים.

את ההתנגשות הזאת איתר LIGO כבר ב-14 בספטמבר 2015 – ארבעה ימים לפני שפעילותו הייתה אמורה להתחיל באופן רשמי. ניסוי LIGO הוא גדול ויקר, והמדענים שעובדים בו מצויים תחת לחץ אדיר לדייק. מספטמבר ועד להכרזה הם עבדו במרץ כדי לאַמֵת את האות שנקלט ולקבוע מה מקורו.

מעטים הפיזיקאים שמטילים ספק בקיומם של גלי הכבידה: השפעותיהם של הגלים הללו ניכרות בתצפיות אסטרונומיות זה עשרות שנים. אך חוקרים אחדים חשבו שלעולם לא נצליח לאתר אותם באופן ישיר, כי אף על פי שהם מרעידים את המרחב-זמן כאדוות המתפשטות במים, הם קלושים מאוד. קשה במיוחד לאתר אותם מכדור הארץ, שבו יש פעילות סֵיסמית רבה. את התגלית הזאת היה ניתן לבצע רק באמצעות מכשור מתוחכם כמו זה שבניסוי LIGO, אשר דרש כמויות אסטרונומיות של כסף, עשרות שנים של תכנון קפדני ואלפי חוקרים. וההשקעה השתלמה, הואיל והתגלית של LIGO היא משמעותית הרבה יותר מאשר תצפית בודדה. היקום כולו מוצף בגלי כבידה, וסוף סוף האסטרונומים מסוגלים לראותם.

חור שחור NASA

איור אמנותי של חור שחור בהיווצרותו. תצלום: NASA

***
האסטרונומיה של גלי הכבידה שונה מהותית מן האסטרונומיה הרגילה. מרבית תצפיות האסטרונומיה מבוססת על אור, שהוא גל אלקטרומגנטי: הפרעה בשדות חשמליים ומגנטיים. גלי כבידה הם הפרעות במרחב-זמן שנעות במהירות האור. בדומה לקול, התדירות – ה"טון" – של גל כבידה תלוי לעתים קרובות בגודלה של המערכת המייצרת אותו. ניסוי LIGO קשוב בייחוד לגלים בעלי "צליל גבוה" המופקים על-ידי צמדים של חורים שחורים או פּוּלְסָרים רגע לפני שהם מתנגשים.

לא קשה לייצר גל כבידה. כוכב לכת החג סביב השמש מייצר אותם, וגם אתם מייצרים אותם כשאתם מסתובבים בכיסא המשרדי. אבל אתם אינכם יכולים לייצר גלים חזקים מספיק, כי סיבובי הכיסא שלכם אינם מייצרים אנרגיה רבה. גלי הכבידה נחלשים ככל שהם מתרחקים מהמקור (בדיוק כפי שאורו של כוכב נראה קלוש יותר ממרחק גדול). כדי לייצר גלי כבידה חזקים דיים שאפשר לראות ממרחקים גדולים בחלל, יש צורך בקטסטרופה קוסמית כמו התמזגות של חורים שחורים או פיצוצי סופרנובה.

וגם אז, איתור גלי הכבידה הוא משימה קשה כיוון שכוחה של הכבידה הוא מועט ביותר (אם אתם מפקפקים בכך, זכרו שבני אדם מטפסים כל הזמן במדרגות, טסים במטוסים ומרימים משקלים כבדים יותר מעצמם. כוח הכבידה הוא משחק ילדים). בפועל זה אומר שאירועים אדירי-ממדים, כמו אלה שציינתי לעיל, מייצרים גלי כבידה המסוגלים לשאת הרבה אנרגיה, אך בקושי נקלטים בגלאי.

ניסוי LIGO משתמש בצמד גלאים הניצבים כ-3,000 קילומטר זה מזה. האחד ממקום סמוך לליווינגסטון, לואיזיאנה, והאחר בהאנפורד, וושינגטון. המרחק בין שני הגלאים מצמצם את סכנת האיתורים הכוזבים ומבטל כמה ממקורות ה"רעש": הפרעות אקראיות שעלולות להסוות אותות רלוונטיים.

הגלאים הם בצורת L. לכל אחד שני צינורות בטון באורך ארבעה קילומטרים. החוקרים משגרים קרני לייזר חזקות לאורך הצינורות האלה. כשגל כבידה חולף שם, המראות שבקצה הרחוק של כל זרוע נעות, וכך משנות למעשה את אורכה. המכשור האלקטרוני ששולט במתקנים רגיש מספיק לזהות גם תזוזה של אחת חלקי עשרת אלפים בקוטר הפרוטון: זעירה במידה כמעט בלתי נתפסת.

הגרסה הנוכחית של LIGO נקראת "advanced LIGO" (או aLIGO), והיא החלה לפעול בספטמבר 2015. בשנים הקרובות ייערכו בציוד שדרוגים שיגבירו את רגישותו פי עשרה – כלומר המכשירים יוכלו "לראות" פי 1,000 מבעבר ולכסות נתח נכבד הרבה יותר מהיקום. נכון לעכשיו aLIGO מסוגל לזהות פולסרים מתנגשים במרחק של 160 מיליון שנות אור. לאחר השדרוגים, המרחק הזה יהיה קרוב יותר ל-650 מיליון שנות אור (לשם השוואה, אנדרומדה, הגלקסיה הגדולה הקרובה ביותר אלינו, נמצאת במרחק 2.5 מיליון שנות אור). חורים שחורים עשויים להיות מסיביים יותר ולכן "רועשים" יותר מאשר פולסרים, ומשום כך אפשר לזהות אותם במרחקים גדולים הרבה יותר – כפי שמעידה ההכרזה על התגלית.

עוצמת ה"רעש" של גל כבידה תלויה במקורו, ובקרבתו של המקור לכדור הארץ. כבידה חזקה מייצרת גלים חזקים, כך שאובייקטים כמו צמד פולסרים הם מקורות טובים, וחורים שחורים הם הטובים ביותר. ההתנגשות ש-LIGO זיהה כללה שני חורים שחורים, גדולים פי 36 ופי 29 מהשמש אך דחוסים הרבה יותר ממנה. למרות הנתונים האלה, המאפילים על השמש שלנו, קוטרו של הגדול מבין שני החורים הוא פחות מ-500 קילומטר.

כששני החורים השחורים האלה התנגשו זה בזה לפני 1.3 מיליארד שנה, הם שלחו פרץ רב-עוצמה של גלי כבידה, רועש מספיק כדי ש-LIGO יהיה מסוגל לאתרו ממרחק עצום. לו היינו יכולים לשמוע את הגלים, הם היו מתחילים בתָו נמוך ומטפסים במהירות גבוה יותר ויותר (עד לצליל שמכונה בעגה "ציוץ", או chirp, כיוון שהוא דומה לצליל שמפיקות ציפורים) בשעה שהחורים השחורים מסתחררים זה כלפי זה בסערה. כל אותו זמן עוצמתם הייתה עולה עד להתנגשות עצמה, המייצרת פרץ עז ביותר של גלים.

מכיוון שהאות עצמו אינו מכריז "שני חורים שחורים עשו אותי!", המדענים של LIGO היו צריכים להשוות אותו ל"תבניות" שונות. תבנית של גל כבידה מחושבת באופן תיאורטי על סמך הנחות אחדות: סוג העצמים שמייצרים את הגלים (חורים שחורים, פולסרים וכו'), גודלם וכולי. ברגע שנמצאת ההתאמה הטובה ביותר בין האות לתבנית, החוקרים מסוגלים לזהות את המקור ואפילו את המרחק שלו מאיתנו. אך הם אינם יכולים להצביע על מיקומו המדויק בשמיים: על כל מעלותיו, LIGO אינו מדויק כמו טלסקופ.

חישובים שונים מראים לנו שהתנגשויות בין חורים שחורים הן נדירות, ולכן חוקרים רבים חשבו ש- LIGO לא יפיק מהן תועלת רבה. אבל התנגשות כזו היא הדבר הראשון ש-LIGO ראה. מכאן אנו למדים אחד משני דברים: או שהיה לנו מזל, או שהתנגשויות של חורים שחורים הן שכיחות יותר משחשבנו. שתי האפשרויות מרתקות, ובשנים הקרובות יכריעו חוקרי LIGO איזו מהן היא הנכונה.

דרך ארוכה הובילה לתגלית הזאת. איינשטיין הציע לראשונה את אפשרות קיומם של גלי כבידה בהרצאה שנתן בפני מדענים ב-1913, שנתיים לפני שסיים את עבודתו בנושא תורת היחסות הכללית. כשהשלים את העבודה, הוא כתב על גלי הכבידה מאמר שראה אור ב-1916. כלומר ההכרזה של LIGO התרחשה מאה שנים בדיוק לאחר פרסומו הראשון של איינשטיין על אודות גלי כבידה.

התצפית העקיפה הראשונה של גלי הכבידה התרחשה ב-1974, כשסטודנט בשם ראסל האלס (Hulse) והמרצה שלו, ג'וזף טיילור (Taylor) גילו שינויים בצמד פולסרים החגים זה סביב זה. פולסרים הם שרידים של כוכבים מסיביים. הם מסתחררים במהירות ופולטים קרני אור רבות-עוצמה. כשהקרניים האלה חולפות על-פני כדור הארץ, הטלסקופים שלנו מזהים אותם כפּוּלְסים.

האלס וטיילור זיהו בהבזקי האור שינויים המעידים כי הפולסרים מתקרבים זה לזה. כלומר הם הלכו ואיבדו אנרגיה, ואובדן האנרגיה תאם בצורה מושלמת את תחזיות היחסות הכללית, במידה שהפולסרים אכן פלטו גלי כבידה (הגלים נושאים אנרגיה אל מחוץ למערכת הפולסרים הכפולה). על התגלית הזאת זכו האלס וטיילר בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1993.

אבל קשה הרבה יותר לאתר גלי כבידה באופן ישיר. הרעיון שעליו מבוסס ניסוי LIGO צץ כבר בתחילת שנות ה-60, ובסוף העשור ההוא בנו חוקרים את אבות-הטיפוס הראשונים. עם זאת, גלאים קטנים צריכים הרבה מזל כדי לאתר גלי כבידה, כי הם מסוגלים לזהות רק התפרצויות חזקות שמקורן קרוב יחסית. מכיוון שסביר להניח כי לאורך מאה שנה מתרחשים בגלקסיה שלנו רק מעט התפרצויות חזקות דיין, הפתרון היה לבנות בגדול.

בשנות ה-80 החליטה הקרן הלאומית למדע (NSF) להשקיע בפרויקט LIGO. זאת הייתה השקעה מסוכנת, אך כפי שאומרת פראנס קורדובה, מנהלת הקרן הלאומית למדע, אחת ממשימותיה של הסוכנות היא לממן "מחקרים מדעיים תיאורטיים דווקא כאשר הדרך אל התגלית עודה לוטה בערפל".

השלב הראשון של LIGO החל לפעול ב-2002. כמו אבות-הטיפוס, גם הגרסה הראשונה הזו הייתה צריכה מעט מזל כדי להצליח לזהות גלי כבידה, אך מזלה איתרע. החל מ-2010 ולמשך חמש השנים הבאות, החוקרים החליפו ושדרגו כמעט כל פריטי הציוד של LIGO. התוצאה הייתה מִצְפֶּה רגיש הרבה יותר המסוגל לזהות מקורות של גלי כבידה, כמו התנגשויות של חורים שחורים, במרחקים גדולים הרבה יותר בחלל.

האסטרונומיה של גלי הכבידה היא דרך מצוינת להבין עד כמה התנגשויות כאלה הן נדירות, מכיוון שהאסטרונומיה המבוססת על אור אינה יכולה לזהות בקלות מערכות כפולות של פולסרים או חורים שחורים ממרחקים גדולים. נכון לעכשיו, אסטרונומים מסתמכים על מודלים ממוחשבים כדי לחזות את תכיפות ההתנגשויות, אבל LIGO יהיה מסוגל לומר לנו אם המודלים האלה נכונים או לא.

וזאת רק ההתחלה. מצפה VIRGO באיטליה – שעובר שדרוגים דומים לאלה של aLIGO – וניסוי KAGRA (עדיין בשלבי תכנון) ביפן, מצטרפים גם הם לרשת גלי הכבידה העולמית. וישנן תוכניות לבניית גלאי שיימצא בחלל ויוכל "לשמוע" תדרים ש-LIGO ומתקנים אחרים על פני כדור הארץ אינם מסוגלים לשמוע – כולל, בתקווה, תדרים שנובעים מרגע לידתו של היקום. אבל עד שזה יקרה, אנו עדיין יכולים להתענג על התגלית הראשונה. היא מוכיחה שאיינשטיין צדק לפני מאה שנה, ומעניקה לבני האדם דרך חדשה להביט ביקום הגדול והמוזר שמקיף אותנו.

מתיו פרנסיס כתב ב-Wired, Ars technical ו-Aeon.


כל הזכויות שמורות לאלכסון.


Copyright 2016 by The Atlantic Media Co., as first published in The Atlantic Magazine. Distributed by Tribune Content Agency.

תורגם במיוחד לאלכסון על ידי תומר בן אהרון

מאמר זה התפרסם באלכסון ב על־ידי מתיוס פרנסיס, Atlantic.


תגובות פייסבוק

2 תגובות על לשמוע חורים שחורים

02
אהרן אלברג

כתבה מאוד מעניינת. רק חבל שמהות מושא הכתבה, גלי הכבידה, אינו מוסבר כלל. כל שנאמר הוא "לא קשה לייצר גל כבידה. כוכב לכת החג סביב השמש מייצר אותם, וגם אתם מייצרים אותם כשאתם מסתובבים בכיסא המשרדי. אבל אתם אינכם יכולים לייצר גלים חזקים מספיק, כי סיבובי הכיסא שלכם אינם מייצרים אנרגיה רבה". כנראה שלא קשה לייצר אותם אבל קשה להסביר אותם.