עידו אפרתי
עידו אפרתי
אילוסטרציה של כוכב נייטרונים
אילוסטרציה של כוכב נייטרוניםצילום: רויטרס
עידו אפרתי
עידו אפרתי

חיפוש מדעי של עשרות שנים מסתיים היום (חמישי) בניצחון גדול ובתגלית מדעית מסעירה: מדענים אמריקאים הכריזו כי גילו ראיות מבוססות לקיומם של גלי כבידה ביקום. גלי כבידה הם התעקמויות במרחב-זמן, שנעות בו כגלים זעירים במים. ‎החוקרים הצליחו "ללכוד" את גלי הכבידה שנוצרו באירוע רב־עוצמה, שהתרחש בעומק היקום: התנגשות והתמזגות של שני "חורים שחורים" גדולים — שהמסה המשותפת שלהם גדולה פי 62 ממסת השמש. באמצעות טכנולוגיה מתקדמת הצליחו המדענים להציג ראיות חותכות לקיומם של גלי הכבידה, שעד כה היו בגדר השערה בלבד. תגליתם מהווה אישוש חשוב לתורת היחסות הכללית של איינשטיין, ופותחת צוהר חדש ומסקרן לחקר היקום על שלל תופעותיו.

אסטרונומים ואסטרופיזיקאים בכירים ברחבי העולם ובישראל נרגשים ומגדירים את התגלית כפריצת־דרך וכ"אירוע המדעי החשוב של העשור האחרון". מדובר בהישג טכנולוגי אדיר, שנזקף בראש ובראשונה לזכות הפיזיקה הניסויית, הישג העשוי לזכות את החוקרים שמובילים את הניסוי בפרס נובל בזמן הקרוב.

100 שנה לתורת היחסות: מורה נבוכים לתורת היחסות | מסע לחורים השחורים של היקום | הישראלי ששומר על אוצר הידע | התורה שהקסימה את עולם האמנות | האם אפשר לנסוע בזמן?

גלי הכבידה - תנודות במארג החלל

שלב 1: היווצרות
שני חורים שחורים מתנגשים במרחק מיליארד שנות אור, ההתנגשות יוצרת גלי כבידה

שלב 2: התפשטות בחלל
הגלים נעים ויוצרים התרחבויות והתכווצויות במרחב ובזמן 

שלב 3: הגילוי
הגלים מגיעים לכדור הארץ ויוצרים שינוי מזערי באורכן של קרני לייזר במתקן הניסוי

הקהילה המדעית העולמית כמרקחה

זה עשרה ימים נסערת הקהילה המדעית העולמית בשל גל השמועות, שלפיו נמצא אות חזק וברור מהחלל לקיומם של גלי הכבידה (או גלי גרביטציה). בימים האחרונים הפכו השמועות להדלפה מהימנה ומפורטת על התגלית ההיסטורית. היום התפרסמה התגלית באופן רשמי על ידי מדעני מתקן הניסוי "לייגו" (LIGO) ראשי תיבות של "מצפה גלי כבידה באמצעות אינטרפרומטר לייזר" (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) במדינת וושינגטון בארה"ב. המחקר, במימון הקרן הלאומית למדע בארה"ב (NSF), נערך על ידי חוקרי המכון הטכנולוגי במסצ'וסטס (MIT) והמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), שלייגו הוא פרויקט משותף של שניהם. הממצאים אמורים להתפרסם במקביל בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

"הצלחנו להוכיח את קיומם של גלי כבידה. עשינו את זה!", הכריז מנכ"ל לייגו, דיוויד רייץ, בפתח מסיבת העיתונאים שהתקיימה היום, והכרזתו התקבלה במחיאות כפיים נלהבות. לייץ הסביר כי התגלית התאפשרה בזכות שני חורים שחורים שהתנגשו לפני 1.3 מיליארד שנים. "הגלים שקלטנו תואמים במאפייניהם בדיוק את מה שתורת היחסות של איינשטיין היתה חוזה", אמר רייץ והוסיף, "זה לא רק גילוי גלי הכבידה, מה שמרגש זה מה שיבוא. לפני 400 שנים גלילאו הפנה טלסקופ לשמיים, היום עשינו משהו שווה ערך בחשיבותו. פתחנו חלון חדש ליקום". 

גלי כבידה - הסברקרדיט: גלי כבידה - הסבר

המדען קיפ תורן, ממייסדי פרויקט "לייגו", סיפר כי ב-14 בספטמבר 2015 קיבלו המדענים את האות המיוחל. "המרחב היה שקט כמו האוקיינוס השקט ואז פתאום 'סערה' – התנגשות של חורים שחורים, שנמשכה רק 20 אלפיות השנייה", אמר תורן. "באותו רגע קצר נוצרה אנרגיה של פי 50 מזו שכל כוכבים היקום ביחד. זה לקחת שלושה כוכבים – כל אחד בגודל שמש והפוך אותם ברקע אחד לאנרגיה טהורה. גלי הכבידה שונים כל כך מגלי האור. אני משוכנע שנכונו לנו עוד הפתעות גדולות בחקר היקום".

ד"ר אד דאו מאוניברסיטת שפילד שחוקר את גלי הכבידה בפרויקט LIGO מאז 1998 אמר כי "גלי הכבידה שונים לחלוטין מן האור, ואנחנו כנראה רק מתחילים להבין כיצד הם משקפים ומעצבים את היקום שלנו. זה כמו שעד נקודה מסוימת אתה צופה בטלוויזיה עם ערוץ אחד שבו כל התוכניות והסדרות דומות זו לזו, וברגע אחד מופיעות תוכניות חדשות ומגוונות ושונות לחלוטין, שכמותן לא שודרו בערוץ הישן. כך למשל גלי הכבידה יכולים להיות מופצים ללא שינוי כמעט דרך כוכבי לכת שלמים, בשונה מגלי הרדיו ואור, שפגיעים הרבה יותר".

"מדובר כאן בחלון חדש ליקום", אמר ל"הארץ" פרופ' אבי לייב, ראש המחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת הרווארד, מנהל המכון לתיאוריה וחישוביות במרכז הרווארד סמיתסוניאן לאסטרונומיה, וחבר האקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים ואמנויות. לדבריו, "אם עד כה נעשו התצפיות בעיקר על ידי גילוי אור וקרניים מכוכבים ומגלקסיות, כאן יש לנו סוג אחר של אות, שנחזה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין ששינתה לנו את התפישה של הזמן והמרחב. בעבר התגלו באופן עקיף גלי כבידה שנפלטו משני כוכבי נויטרונים שהתקרבו אחד לשני. פה מדובר בתגלית של ישירה של גלי הכבידה עצמם. מדובר בסוג אחד של מכשיר שמכיל מראות בשני כיוונים מנוגדים, ורואים שהמרחק בין המראות משתנה בשל גל הכבידה. זה דורש רגישות של 10 בחזקת מינוס 21 המטר — זיהוי תזוזה של אלפית גרעין אטום. פיתוח הטכנולוגיה המאפשרת רגישות כזו לקח הרבה זמן".

מנכ"ל לייגו, דיוויד רייצ, במסיבת העיתונאים היום
מנכ"ל לייגו, דיוויד רייצ, במסיבת העיתונאים היום

לדברי לייב, עכשיו כשהטכנולוגיה הוכיחה את עצמה, היא תאפשר סוג חדש של תצפיות על היקום. "כששני חורים שחורים מתמזגים, ואין חומר במרחב והזמן, אין דרך להבחין בכך. כעת זה אפשרי. מבחינה הזו, יש כאן דרך חדשה להסתכל על היקום. לגלי כבידה יש אינטראקציה חלשה מאוד עם חומר, להבדיל מאור, שקל לגלות אותו. כמו שתמיד קורה באסטרונומיה, ברגע שיש מכשיר שפותח חלון חדש ליקום, עשויים להתגלות דברים שלא חשבנו עליהם בכלל. הקהילה האסטרונומית התייחסה בעבר בזלזול לתחום הזה. אנחנו לא יכולים לדמיין היום אילו תופעות יתגלו לנו באמצעותו. זה בהחלט ראוי לפרס נובל".

התגלית של המדענים מדברת על אות, שאינו משתמע לשתי פנים, לקיומם של גלי הכבידה שנוצרו באירוע ההתנגשות והמיזוג של שני חורים שחורים — האחד שמסתו 29 פעמים מסת שמש, והשני שמסתו 36 פעמים מסת שמש. החוקרים מתארים את החורים השחורים מתפתלים זה סביב זה, מתרסקים ויוצרים חור שחור חדש, שמסתו 62 פעמים מסת שמש. בתהליך זה נוצרו, על פי החוקרים, גלי כבידה שמסבירים את העובדה שמסת החור השחור החדש היא 62 פעמים מסת שמש, ולא 65 פעמים מסת שמש (תוצאת חיבור המסה בין שני החורים שחורים). הטענה היא כי פער החסר — שלוש פעמים מסת שמש — מסביר את שחרור גלי הכבידה למרחב.

גלי הכבידה נמדדו בשני מתקני הניסוי הרגישים של פרויקט LIGO: האחד באתר שלו ליד האנפורד במדינת וושינגטון, והאחר בלינסטון בלואיזיאנה. צמד הגלאים הופעל באוגוסט 2015 למשך חודשיים, והתגלית היא פרי ניתוח של אותם נתונים.

תנודות במרקם היקום

מדען במתקן הניסוי של פרויקט לייגו בלואיזיאנה, שלשום
מדען במתקן הניסוי של פרויקט לייגו בלואיזיאנה, שלשוםצילום: אי־אף־פי

המצוד המדעי אחר גלי הכבידה מתקיים מזה עשרות שנים, אבל עד כה לא נמצאו ראיות ישירות לקיומם. ממצא עקיף לקיומם, בשנת 1974, זיכה את המדענים ראסל האלס וג'וזף טיילור בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1993. את הגלים המסתוריים במרחב ובזמן חזה איינשטיין בתורת היחסות הכללית, אף כי בשלב מסוים הוא עצמו התכחש לאפשרות קיומם. על פי התיאוריה, גלי הכבידה נוצרים כשגופים בעלי מסה גדולה מאוד נמצאים בתנועה ויוצרים סביבתם אדוות, בדומה לאבן המוטלת לבריכה.

פרופ' אליעזר רבינוביץ', מהאוניברסיטה העברית, נציג ישראל וסגן נשיא המרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN בשווייץ, אמר: "למצוא דבר כזה — זה כמו לחפש אדם שטבע באוקיינוס עם מטוס. זה כל כך קשה ולכן המאמצים שנעשו בעבר במקומות רבים בעולם, גם בישראל, לא צלחו. כוח הכבידה, אפילו שהוא ממלא תפקיד מרכזי בחיינו, הוא כוח חלש מאוד. בניגוד לגלים אלקטרו־מגנטיים שקל לגלות אותם, כוח הכבידה קשה מאוד לגילוי. אין לנו ספק שביקום מתרחשות תופעות רבות שאנחנו לא יכולים לראות. הגילוי הנוכחי פותח בפנינו אפשרויות רבות".

אירועים שבהם עשויים להיווצר גלי כבידה הם אירועים שבהם כמות עצומה של מסה נזרקת במהירות הקרובה מאוד למהירות האור. אין כל אפשרות ליצור גלי כבידה באופן מלאכותי, והמקורות האפשריים היחידים הם אירועים אסטרופיזיים עתירי מסה ואנרגיה, האלימים ביותר ביקום, דוגמת מיזוג של חורים שחורים, סופרנובות וכוכבי נייטרונים. אירועים כאלה גורמים לתנודות במרקם של היקום. הם יוצרים במרחב־זמן של היקום גלים הנעים במהירות האור. למעשה, כוח הכבידה הרב שנוצר גורם לעיקול ועיוות המרחב סביב אותו אירוע עוצמתי, ויוצר גלי כבידה שנפלטים למרחב. אבל עוצמתם של הגלים הולכת ונחלשת ככל הם מתרחקים מהמקור, ולכן, עד שהם מגיעים לכדור הארץ הם כבר חלשים מאוד — ברמה של אלפית גרעין האטום. כאן טמון הקושי הטכנולוגי הגדול באיתור גלי הכבידה.

הדמייה של חור שחור
הדמייה של חור שחורצילום: NASA

פרויקט LIGO יצא לדרך באמצע שנות ה–90, בהשקעה של מאות מיליוני דולרים. בשנת 2002 הופעל לראשונה מתקן גילוי של גלי כבידה. המתקן כולל שני צינורות ואקום באורך ארבעה קילומטרים כל אחד, המחוברים זה לזה בקצותם בצורת רי"ש. בתוך הצינורות יש מערכת מראות וקרני לייזר, שהמפגש ביניהם יוצר משטח התאבכות רגיש במיוחד המסוגל לזהות תנודות מזעריות של גל — ברמה של 10 בחזקת מינוס 22 מטר. פרוש הדבר, כדי להבין את סדר הגדול – פחות ממאית קוטרו של גרעין אטום מימן. לכן, ההערכה של הקהילה המדעית ניתנה בראש ובראשונה לפיזיקאים שהצליחו לייצור מתקן ברמת רגישות גבוהה כל כך.

המשקפיים החדשים של חוקרי היקום

התגלית מביאה איתה כנראה משקפיים חדשים לחוקרי היקום ששיאפשרו להם לראות תופעות שגלים אלקטרומגנטיים לא מאפשרים. מתקני הניסוי לייגו, שגילו את הממצאים החדשים על גלי הכבידה, כמו גם גלאים דומים נוספים שנבנים ביפן, הודו ואירופה, וגלאי נוסף שישוגר בעתיד לחלל, יקראו ויפענחו את סודות היקום באופנים חדשים. 

"זו הפעם הראשונה שהבנו באמת שאפשר לראות את גלי הכבידה ובאמצעותם לראות את כל היקום", מסביר פרופ' אבישי דקל מהמרכז לאסטרופיזיקה ומדעים פלנטריים באוניברסיטה העברית, שעשה את הפוסט־דוקטורט שלו אצל הפיזיקאי קיפ תורן, ממייסדי מיזם לייגו. לדברי דקל, התגלית תתרום לחקר היווצרות היקום במפץ הגדול (לפני כ-14 מיליארד שנה) ותופעות אחרות שהתרחשו אז. האירועים הללו התרחשו במצב הראשוני שבו נוצר היקום, בשלב שהיה חם וצפוף מאד, וקרני האור לא יכלו להיפלט ממנו. לכן, 380 אלף השנים הראשונות של היקום הן אטומות בפני אמצעי תצפית אלקטרומגנטיים והן עדיין בבחינת חידה גדולה. לשם מכוונים המדענים. אבל לא רק. "נוכל לראות אירועים שמתרחשים במהירות ובחוסר סימטריה ומייצרים גלי כבידה", מסביר דקל, "הדבר המדהים ביותר הוא התנגשויות של חורים שחורים בגודל של מיליארד פעמים מסת שמש. אלו חורים שכיחים יותר מאלה שנצפו במקרה הזה והם נמצאם במרכזיהן של גלקסיות גדולות. זו התקווה שלי כקוסמולוג".

איינשטיין חזה את גלי הכבידה כבר ב-1915

תגלית גלי הכבידה היא בעלת משמעויות רחבות ויש בה ממדים שונים: מסגירת מעגל היסטורי של מאה שנה עם תורת היחסות של איינשטיין, דרך האירוע הנקודתי המרשים של התנגשות חורים שחורים, ועד יצירת אפשרויות חדשות לחקר היקום בעתיד.

"איינשטיין צדק – וההכרזה היא הזו היא גולת הכותרת המדעית של העשור", כתב האסטרופיזיקאי סר מרטין ריס – האסטרונום המלכותי של בריטניה, במאמר שפורסם הבוקר ב"טלגרף", טרם ההכרזה על הגילוי. "אם גילוי חלקיק ההיגס היה אבן הראשה של 'המודל הסטנדרטי' כביכול של פיזיקת החלקיקים שפותח משך עשרות שנים. תגלית גלי הכבידה – כלומר תנודות במארג החלל עצמו – הם תוצאה מכרעת וייחודית תורת היחסות הכללית של איינשטיין", כתב ריס ומוסיף: "לידה אלימה של חור שחור יוצרת פולס של גלי כבידה. ואולם, פולס חזק יותר מגיע כאשר שני חורים שחורים מתמזגים – זהו אירוע נדיר שמתרחש פחות מאחת למיליון שנים בגלקסיה שלנו. האירוע הזה, גם אם הוא התרחש מיליארד שנות אור מאתנו נתן אות חזק יותר מגלקסיות קרובות יותר". ההתרגשות שאחזה בריס מייצגת במידה רבה מה שעבר על אנשי מדע רבים אחרים. גם בישראל. במכון ויצמן למדע ברחובות זימנו מסיבת עיתונאים לשעת ההכרזה ובאוניברסיטה העברית, שבה מוחזק ארכיון כתביו של איינשטיין, נערכה מסיבת עיתונאים שבה הוצג מסמך בכתב ידו אשר מציג משוואות המתארות את מבנהו הגאומטרי של המרחב-זמן. 

"האות שגילו החוקרים, ככל שידוע לנו, הוא חזק בצורה בלתי רגילה. ויש לכך משמעות רבה בחוזק הממצאים", אומר פרופ' עמוס אורי מהפקולטה לפיזיקה בטכניון. "הממצאים הללו תומכים ביכולת הגלאים הללו ובפרויקט אמריקאי-אירופי עתידי בשם LISA — שהוא למעשה גלאי גלי כבידה חללי שצריך להיות משוגר לחלל בעוד 17 שנה. אלה אמצעים שיתנו לנו אפשרות לצפות באופן חדש את היקום הקדום ובתהליכים שהתרחשו בו". 

פרופסור ברק קול מציג את כתבי איינשטיין, אתמול באוניברסיטה העברית
פרופסור ברק קול מציג את כתבי איינשטיין, אתמול באוניברסיטה העבריתצילום: אמיל סלמן

תגיות:

הזינו שם שיוצג באתר
משלוח תגובה מהווה הסכמה לתנאי השימוש של אתר הארץ