Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי אסטרונומיה ופיזיקה פורסם: 23 בדצמבר, 2022

גַּלֵּי כְּבִידָה – הטלסקוֹפ החדש של היקוּם

תַקצִיר

דַּמְיְנוּ שהיה ניתן לכם זוג עיניים חדשות, שאיתן יכולתם לראות דברים במציאוּת שמעולם לא ראיתם קודם לכן. אולי הייתם בוחרים שתהיה לכם ראיית רנטגן, כמו לסוּפֶּרְמֶן, או שאולי הייתם מעדיפים להיות מסוגלים להביט מקרוב על דברים זעירים, ולהתרשם מנפלאותיו של העולם המיקרוסקופי. לאחרונה, המדע זכה בזוג עיניים חדשות – דרך חדשה להתבונן אל תוך המסתורין של היקום. אנו עושים זאת באמצעות 'גַּלֵּי כְּבִידָה'– גלים המיוצרים על ידי תופעת הַגְּרָבִיטַצְיָה (כְּבִידָה) עצמה. במאמר זה, אקח אתכם למסע שיתחיל מהסבר לגבי גרביטציה – מהפרספקטיבה הקלאסית של אייזק נְיוּטוֹן, ועד להשקפה המודרנית והמורכבת יותר של אלברט איינשטיין. לאחר מכן, אסביר לכם כיצד תנועות של אובייקטים מסיביים מייצרות גלי כּבידה, שהם אֲדָווֹת במרחב ובזמן, וכיצד גלים אלה יכולים לְשַׁמֵּשׁ כדי להאיר באור חדש חלק מהמסתורין של היקום, ואפילו לסייע לנו להבין את המקורות של כדור הארץ שלנו.

פרופסור בָּארִי בָּרִישׁ זכה בפרס נוֹבֶּל לפיזיקה לשנת 2017, במשותף עם פרופסור רָיְינֶר וַיְיס ופרופסור קִיפּ תּ'וֹרְן, עבור תרומותיהם המכריעות לגַּלַּאי LIGO ולצפייה בגלי כּבידה.

גרביטציה – מניוטון ועד איינשטיין

בשנת 1687, המתמטיקאי והפיזיקאי האנגלי הדגול אייזק ניוטון פרסם את ספרו המפורסם 'פְּרִינְקִיפְּיָה' [1], שבו הציג את תיאוריית הגרביטציה שפיתח, שהייתה התיאוריה ה'אוניברסלית' הראשונה במדע. באמצעותה ניוטון הוכיח כי כוח הכּבידה בין שני אובייקטים פּרוֹפּוֹרציוֹני למכפלת הַמָּסוֹת שלהם, והופכי באופן פרופורציוני לריבוע המרחק ביניהם. זה אומנם נשמע מסובך, אך הרעיון בתמצית הוא שככל שלאובייקטים יש יותר מָסָה, וככל שהם קרובים יותר זה לזה, כך כוח הכּבידה שיפעילו זה על זה יהיה חזק יותר. על אף נכוֹנוּת הדברים, התברר כי התיאוריה הנפלאה של ניוטון לוקה בכמה מגבלות.

ראשית, האם אי פעם תהיתם מדוע כאשר תפוח נופל מעץ, הוא נופל כלפי מטה ולא כלפי מעלה? או, כשאתם קופצים – מדוע אתם חוזרים חזרה מַטָּה אל כדור הארץ ולא עפים כלפי מעלה? התיאוריה של ניוטון אינה מְסַפֶּקֶת תשובות לשאלות הפשוטות הללו. היא רק אומרת לנו כמה כוח גרביטציוני שני אובייקטים מפעילים זה על זה, כמו הכוח שבין התפוח לבין כדור הארץ, או בינינו לבין כדור הארץ. אולם, התיאוריה של ניוטון אינה מביאה בחשבון את כיוון הכוח שבין שני אובייקטים (האם הכוח מקרב את האובייקטים זה לזה, או מרחיק ביניהם), וכן אינה מסבירה מהיכן גרביטציה מגיעה מלכתחילה (איור 1).

איור 1 - כּבידה לפי ניוטון.
  • איור 1 - כּבידה לפי ניוטון.
  • תיאוריית הגרביטציה המוצלחת של ניוטון לוקה בכמה מגבלות. (A) האם אי פעם תהיתם מדוע בעת קפיצה מַעְלָה אתם נופלים חזרה אל כדור הארץ, במקום לעוף לשמיים? מה מושך אתכם חזרה אל כדור הארץ? התיאוריה של ניוטון לא הצליחה לענות על שאלה זו. (B) כאשר תפוח נופל מעץ, לוקח זמן עד שהצופה יודע שזה קרה, מאחר שהמידע מתקדם במהירות האור. התיאוריה של ניוטון מניחה כי הצופה רואה את התפוח נופל מייד, בדיוק באותו הרגע שבו הוא נופל. שתי המגבלות הללו נפתרו על ידי תיאוריית הגרביטציה של איינשטיין.

הקושי השני עם התיאוריה של ניוטון מעט קשה יותר לתפיסה. דַּמְיְנוּ שהשמש הייתה נעלמת פתאום. אם היא נעלמה כרגע, יחלפו כשמונה דקות עד שנראה שהיא כבר אינה במקומה הרגיל, מאחר שלאור השמש לוקח שמונה דקות להגיע לעינינו. רעיון זה נכון עבור כל דבר אחר שמתרחש ביקום – למידע אוֹרֵךְ זמן להגיע מהאירוע עד לצוֹפֶה. אם כן, כאשר תפוח נופל מעץ, ייקח זמן מסוים (אפילו אם רק חלקיק שנייה) עד שהצופה יֵדַע שזה אכן התרחש (איור 1). התיאוריה של ניוטון אינה מביאה בחשבון את פער הזמן הזה, כך שלְפִיָה הצופה רואה את התפוח נופל בדיוק באותו הרגע שבו הוא באמת נופל. אנו יודעים שאין זה כך במציאוּת; לכן, ביכולתנו להסיק שמשהו חסר בתיאוריה של ניוטון.

כיצד ביכולתנו לפתור את שתי החידות האלה שהציבה התיאוריה של ניוטון? למרבה המזל, יותר מ-200 שנים לאחר זמנו של ניוטון, הפיזיקאי האהוב אלברט איינשטיין הציע פתרונות עבורן. בשנת 1915, איינשטיין פרסם תיאוריה חדשה של גרביטציה, המכונה 'תורת היחסוּת הכללית' [2]. התיאוריה של איינשטיין מציעה דרך שונה לגמרי להסתכל על כּבידה, ומסייעת לנו להבין דברים שהתיאוריה של ניוטון לא הייתה מסוגלת להסביר. אין זה אומר שהתיאוריה של ניוטון הייתה שגויה או בלתי מועילה – המשמעות היא רק שתיאוריית ניוטון לא הייתה שלמה, ושהתיאוריה החדשה יותר מסייעת לנו לעמוד על דברים באופן עמוק יותר. תיאוריית איינשטיין גורסת כי סביב לכל אובייקט מסיבי, מרחב וזמן מושפעים ונעשים מעוותים או מעוקמים, וזה יוצר משיכה לְעֵבֶר האובייקט.

הנה דרך פשוטה להבין את הרעיון של איינשטיין לגבי גרביטציה. דַּמְיְנוּ שאתם ממקמים חרוז על גבי טרמפולינה שטוחה. החרוז עומד במקום ולא נע (איור 2A). אולם, אם תניחו כדור באולינג גדול במרכז הטרמפולינה, אשר יגרום לטרמפולינה להתעקם, החרוז ייפול לכיוון מרכז הטרמפולינה (איור 2B). נוֹכחוּת כדור הבאולינג הכבד עיוותה את המרחב שאוכלס על ידי הטרמפולינה באופן שגרם לחרוז לנוע לְעֵבֶר כדור הבאולינג, כאילו שהוא משך אותו כלפיו. זה באופן עקרוני הרעיון שעליו מבוססת תורת היחסוּת הכללית של איינשטיין. הנוֹכחוּת של כל מָסָה מעוותת את המרחב סביבהּ באופן שיוצר משיכה בין הַמָּסוֹת. תמונת הכּבידה הזו עונה על השאלה שניוטון לא ידע להשיב עליה: מדוע (וכיצד) גרביטציה יוצרת כוח משיכה, ומדוע אתם נופלים לְעֵבֶר כדור הארץ כשאתם קופצים כלפי מַעְלָה? הבעיה השנייה, שקשורה לזמן, נפתרה אף היא על ידי איינשטיין כיוון שהתיאוריה שלו מביאה בחשבון את מהירות האור. בחלק הבא של המאמר, נכיר תופעה חשובה ומעניינת שנקראת 'גלֵי כּבידה', שאותה חוֹזָה תיאוריית הכבידה של איינשטיין.

איור 2 - כּבידה לפי איינשטיין.
  • איור 2 - כּבידה לפי איינשטיין.
  • (A) כשאתם מניחים חרוז על טרמפולינה שטוחה, הוא נשאר במקום. זה מייצג מצב של מרחב שאין בו אובייקטים מסיביים. (B) כשאתם מניחים כדור באולינג כבד במרכזהּ של הטרמפולינה, הטרמפולינה מתעקמת. אם תניחו עליה כעת חרוז, החרוז ינוע לכיוון המרכז. זה מייצג את הגרביטציה במודל של איינשטיין, שבו אובייקט מסיבי (כמו כוכב) מעקם מרחב וזמן, ולכן מושך לכיוונו אובייקט אחר (כמו תפוח, או הגוף שלכם).

מהם גלי כּבידה?

אחת התחזיות בתיאוריית היחסוּת הכללית של איינשטיין היא שגרביטציה צריכה להכיל גלים – גלֵי כּבידה [4, 3]. דרך פשוטה לחשוב על גלים אלה היא לדמיין את עצמכם בבריכה עם מים שקטים. כעת, אתם משליכים אבן לבריכה. כאשר האבן פוגעת במֵי הבריכה היא משפריצה סביבה מים, ושוקעת לקרקעית. אף על פי שהאבן נחה בתחתית הבריכה, אתם עדיין יכולים לראות את ההשפעה שהייתה לה על פני השטח של המים, שָׁם הגלים נעים מהמרכז כלפי חוץ (איור 3A). זו גם הדרך לדמיין מה קורה עם גלי כּבידה. מה שגורם להיווצרותם של גלים אלה אינו אבן שנופלת לבריכה, אלא תנועה של אובייקטים מסיביים במרחב, או התנגשות ביניהם (איור 3B).

איור 3 - גלי כּבידה.
  • איור 3 - גלי כּבידה.
  • (A) כאשר אתם משליכים אבן לתוך בריכה שקטה, תוכלו לראות אֲדָוֹות (גלים קטנים) שנעות על פני השטח של המים, אפילו כשהאבן כבר נחה בקרקעית הבריכה. לפי תיאוריית היחסוּת הכללית של איינשטיין, זה דומה לאופן שבו גלי כּבידה נוצרים בעת התנגשות בין שני אובייקטים מסיביים. (B) גלי כּבידה נוצרים כאמור כאשר שני אובייקטים מסיביים מתנגשים זה בזה. הגלים ממשיכים להתקדם במרחב, גם לאחר שההתנגשות התרחשה.

אתגרים והצלחות באיתור גלי כּבידה

לאחר שהתיאוריה של איינשטיין חזתה את קיומם של גלי כּבידה, פיזיקאים העוסקים בפיזיקה ניסויית החלו לנסות לְאַתֵּר אותם. אני עצמי הקדשתי יותר מ-20 שנים מחיי לפיתוח שיטות לאיתור גלי כּבידה, ועוֹדֶנִּי ממשיך בכך. מתברר שבנוגע לגלי כּבידה, נפלו בחלקנו חוסר מזל גדול ומזל גדול גם יחד. חוסר המזל הוא שכיום אין לנו היכולת לייצר גלי כּבידה במעבדותינו מאחר שהגלים שאנו מייצרים חלשים מדי מכדי שנוכל לְאַתְּרָם בעזרת השיטות שזמינוֹת לנו. זהו חוסר מזל כיוון שניסויים טובים הם כאלה שבהם אנו מבינים את כל מה שמתרחש, וקל הרבה יותר להצליח בכך במעבדה.

לעומת זאת, בורכנו במזל גדול – הטבע עצמו יצר גלי כּבידה שהם חזקים הרבה יותר מכל גל שהיינו יכולים לייצר במעבדה. המשמעות היא שאירועים אסטרונומיים מסוימים שיוצרים גלי כּבידה – אשר שניים מתוכם אזכיר בהמשך המאמר – ניתן פוטנציאלית לְאַתֵּר על ידי הַגַּלָּאִים המתקדמים ביותר המצויים בידינו. אף על פי שאירועים אסטרונומיים אלה נדרשים להיות האלימים והאנרגטיים ביותר ביקום כדי שנצליח לְאַתְּרָם, הם עדיין מתרחשים לעיתים קרובות מספיק כך שנוכל לחקור אותם. האירועים האלימים ביותר ביקום הם פיצוצים של אובייקטים כבדים להפליא, והתנגשויות המתרחשות ביניהם.

מקור מצוין לגלי כּבידה שביכולתנו לְאַתֵּר הוא סוג של פיצוץ המכונה סוּפֶּרְנוֹבָה. התופעה מתרחשת כאשר כוכב מסיבי מזדקן וקוֹרס במהירוּת כלפי פְּנִים. קריסה זו יוצרת עלייה משמעותית בטמפרטורה ובלחץ, מה שעשוי להגביר את תהליך ההיתוּך גרעיני, שבו גרעינים קלים יותר באטוֹמים משתלבים יחד לכדי גרעינים כבדים יותר, ומשחררים אנרגיה. תהליך זה עשוי לעורר מה שמכונה 'תגובות היתוך גרעיני נמלטות' ('runaway nuclear fusion'1), אשר גורמות לכוכב להתפוצץ עם אנרגיה אדירה. אנרגיה זו, לפי התיאוריה של איינשטיין, מובילה להיווצרות גלי כּבידה חזקים.

כשמדובר בהתנגשויות אלימוֹת במרחב, חלק מההתנגשויות האנרגטיות ביותר מתרחשות בין אובייקטים מסיביים, כמו למשל חורים שחורים וכוכבים נֵיטְרוֹנִים. חורים שחורים הם האובייקטים המסיביים ביותר המוכרים ביקום. כוח הכּבידה שלהם חזק כל כך שהם 'בולעים' כל דבר שמתקרב אליהם, אפילו כוכבים. דבר לא יכול לברוח מתוך חורים שחורים, אפילו לא אור – ומכאן מקור שמם. כוכבי נֵיטְרוֹנִים הם שאריות של כוכבים ענקיים שקרסו, והם דחוסים מאוד ומכילים בעיקר חלקיקים תת-אטומיים ניטרליים המכונים נֵיטְרוֹנִים.

בשנת 2015, התגלו גלי הכּבידה הראשונים [5]. שנתיים בלבד מאוחר יותר, בשנת 2017, זכיתי בפרס נוֹבֶּל לפיזיקה עבור תגלית זו, במשותף עם שני עמיתיי לגילוי, פרופ' ריינר וייס ופרופ' קיפ ת'ורן. בדרך כלל, אוֹרֵךְ 20 שנים לכל הפחות עד שמדענים מקבלים פרס נובל עבור עבודתם, אולם התגלית של גלי כּבידה הייתה בעלת חשיבוּת מיוחדת, מסיבות שאפרט בהמשך המאמר. מאז התצפיות הראשונות של גלי כּבידה שנוצרו עקב התנגשות בין שני חורים שחורים, איתרנו מאוחר יותר התנגשויות אחרות שייצרו גלי כּבידה – אחת ב-2017, בין שני כוכבי נֵיטְרוֹנִים [6], והשנייה ב-2020, בין חור שחור לכוכב נֵיטְרוֹנִים [7].

מדידת גלי כּבידה

כשאנו מודדים גלי כּבידה, אנו למעשה מודדים את העיוותים (אֲדָווֹת) שהם יוצרים במרחב ובזמן. כאשר העיוותים האלה מגיעים לַגַּלָּאִים שלנו, הם קטנים להפליא – קטנים הרבה יותר מגודלו של פְּרוֹטוֹן בודד. כדי למדוד אותות זעירים שכאלה, לגלאים שלנו צריכה להיות רמת דיוק העולה על אַלְפִּית (1/1000) מגודלו של פרוטון! כפי שתוכלו לדמיין, קשה ביותר להשיג רמת דיוק כזו, והדבר מצריך שימוש בשיטה מיוחדת מאוד שנקראת אִינְטֶרְפֵרוֹמֶטְרִיָה. לא אתאר כאן את השיטה לפרטים, אך בתמצית: אינטרפרומטריה משתמשת באינטראקציות בין קרני לייזר במטרה לְאַתֵּר התכווצויות והתרחבויות קטנות מאוד של מרחב2. כדי לערוך מדידות רגישוֹת שכאלה, עָלֵינוּ לבוֹדד את הציוד שלנו כך שדבר לא יפריע למדידותינו – אפילו תנועה זעירה עלולה להשתלט על האות שאנו מחפשים. מקור אחד להפרעות הוא תנועת כדור הארץ עצמו, אשר רועד כשהוא מסתובב סביב צירו (הרעידה הזו עדינה מִדַּי מכדי להיות מורגשת על ידי בני אדם, אך היא ניתנת לאיתור באמצעות מכשירים רגישים). המשמעות היא שעָלֵינוּ להחזיק את ציוד המדידה שלנו מוּרָם באוויר כדי שלא יגיב לתנועות כדור הארץ.

בניית מִכְשׁוּר למדידת גלי כּבידה הייתה משימה מאתגרת מאוד. הציוד שאנו משתמשים בו נקרא LIGO – ראשי התיבות של Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory [מִצְפֵּה גלֵּי כּבידה המבוסס על אִינְטֶרְפֵרוֹמֶטֶר (מַד-הִתְאַבְּכוּת) לייזר]. אורכו של LIGO הוא כמה קילומטרים (איור 4). בנייתו ותפעולו הסתכמו בעלוּת של יותר ממיליארד דולר. מרבּית עבודתי עדיין קשורה בפיתוח הטכנוֹלוֹגיוֹת שיאפשרו לנו להשיג רגישוּת גבוהה יותר באיתור גלי כּבידה, בלי שתנועות בלתי רצויות יפגעו במדידותינו. אנשים רבּים שואלים אותי אם אין זה מתסכל לעבוד על אותה הבעיה במשך יותר מ-20 שנים. תשובתי לשאלתם היא: לגמרי לא! אני נהנה מאוד מפתרון בעיות שונות לאורך הדרך, ורואה זכות גדולה בעשׂיית משהו שאף אדם אחר לא עָסַק בו לפניי.

איור 4 - גלאי LIGO לאיתור גלי כּבידה (ליבינגסטוֹן, לוּאיזיאנה, ארצות הברית).
  • איור 4 - גלאי LIGO לאיתור גלי כּבידה (ליבינגסטוֹן, לוּאיזיאנה, ארצות הברית).
  • מבט ממעוף הציפור על אחד משנֵי גלאי גלֵי הגרביטציה שאיתרו את גלי הכּבידה הראשונים שנמדדו אי פעם, בשנת 2015. כל גלאי LIGO מורכב משתי זרועות, באורך 4 קילומטרים כל אחת. הזרועות עשויות צינורות ואקום מפלדה, ברוחב של 1.2 מטרים. הן מסודרות בצורת האות האנגלית 'L' ומכוסות על ידי מָגֵן בֶּטוֹן ברוחב 3 מטרים ובגובה 3.7 מטרים, אשר מֵגֵן על הצינורות מפני הסביבה. LIGO יכול לְאַתֵּר גלי כּבידה שמגיעים מכל כיוון, אפילו מלמטה (קרדיט לתמונה: מעבדת Caltech/MIT/LIGO).

גלי כּבידה – החלון החדש ליקום

אם כן, מהי חשיבותם של גלי כּבידה כשאנו מנסים להבין את היקום? ראשית, גלי כּבידה מסייעים לנו לְאַמֵּת את נכונותהּ של תיאוריית היחסוּת הכללית של איינשטיין. אף על פי שנדמה כי התיאוריה של איינשטיין תְּקֵפָה ומדויקת מאוד, היא אינה התיאוריה היחידה שחוֹזָה גלי כּבידה. כדי לְאַשֵּׁר כי התיאוריה של איינשטיין נכונה ויכולה להסביר מהי גרביטציה וכיצד היא פועלת, עָלֵינוּ למדוד את פרטיהם של גלי הכּבידה שאנו מְאַתְּרִים.

שנית, גלי כּבידה יכולים לסייע לנו ללמוד דברים חדשים לגבי היקום. תוכלו לחשוב על כך כעל עידן אסטרונומי חדש, ממש כמו זה שהאסטרוֹנוֹם המפורסם גַּלִילֵאוֹ גַּלִילֵיי פָּתַח לפני כ-400 שנים, כשבנה טלסקופ והתבונן באמצעותו בשמיים. באפשרותנו להשתמש בגלי כּבידה כדי להסתכל על היקום בדרך שונה לחלוטין מזו שדרכּהּ צפינו בו בעבר – זאת באמצעות 'טלסקופ עידוּשׁ כבידתי'. חקירת גלי כּבידה עשויה לסייע לנו להבין טוב יותר כיצד מתרחשים אירועים אסטרונומיים עוצמתיים מאוד, כמו למשל התנגשויות בין חורים שחורים וכוכבי ניטרונים. מידע זה יכול לְסַפֵּק לנו תובנות לגבי אירועים שהתרחשו בשלבים מוקדמים בהיווצרות היקום, ואף לסייע לנו למצוא תשובות לשאלות מסקרנוֹת לגבי כוכב הלכת שלנו, כמו למשל כיצד יסודות כבדים כמו זהב וּפְּלָטִינָה הגיעו לכדור הארץ3.

אולם, כיוון שעדיין איננו מתוחכמים ומיומנים בעבודה עם גלי כּבידה, אנו בדרך כלל מְשַׁלְּבִים את המידע שאנו מקבלים ממדידות גרביטציה עם מידע שכבר יש לנו מטלסקופים. זה מאפשר לנו לבנות תמונה של אירועים קוֹסְמִיּים שהיא הרבה יותר מפורטת ואיכותית מזו שיכולנו להרכיב ללא שימוש בגלי כּבידה.

אלה הם זמנים מרגשים מאוד בַּקּוֹסְמוֹלוֹגְיָה – תחום מדעי העוסק בחֵקֶר היווצרות היקום, מבנהו וטִבעוֹ. בעתיד, כשנשתפר באיתור גלי גרביטציה, אנו מקווים כי יהיה באפשרותנו להבחין בתופעות קוֹסְמוֹלוֹגִיּוֹת באמצעות גלי כּבידה בלבד. היכולת לְאַתֵּר גלים אלה פותחת עבורנו צֹהַר חדש לניתוח אירועים קוסמולוגיים, שיסייע לנו להבין את היקום שלנו טוב יותר.

המלצות למוחות צעירים

אחד השיעורים שלמדתי בחיי הוא שחשוב לשים לב לחלומותינו ולנסות להגשימם. החלומות שלכם לגבי העתיד מְסַפְּרִים לכם משהו על מה שאתם רוצים בחיים – בין אם זה להיות פיזיקאי או אומן, או פשוט לעשות משהו מהנה, כמו לטייל או לעסוק בתחביב שאתם אוהבים. אינכם צריכים להצליח בכל דבר שחלומותיכם קוראים לכם לעשות, אך החלומות כן מכוונים אתכם לנתיבים שכדאי לכם לפסוע בהם.

שיעור גדול נוסף שלמדתי הוא כי כל מה שאני עושה בחיים מוּנָע על ידי מילה אחת: סקרנות. אנשים צעירים הם סקרנים מאוד באופן טבעי. עליכם לִנְצֹר את הסקרנות הזו ולא לאפשר לשום דבר לְעַמְעַם אותה – לא למוריכם, לא להוריכם, ולא לאף אחד אחר. עצתי אליכם היא ללכת אחרי סקרנותכם, ליהנות, להגשים את החלומות שלכם ולהתעלם מכל דבר בדרך שעשוי להגביל את התלהבותכם.

עבור אלה מכם שמתעניינים במדע, מדע יכול להיות כיף גדול. אין דבר טוב יותר בחיים מלעשות משהו טוב, ליהנות מהתהליך ואגב כך להתפרנס. אם כן, עבורי מדע הוא מקצוע מצוין. אך חשוב שתזכרו כי כישלון הוא חלק מהמדע, תקבלו את העובדה שלא כל דבר שתעשו יצליח, ותבינו שכישלון יכול להיות דבר חיובי. בפרט, כשאתם ניצבים בחזית המדע, ועושים משהו שלא נעשה מעולם לפני כן – זה לעיתים מתסכל. בכל יום תעמדו בפני סיטואציה שבה לא תדעו באמת אם תתקדמו או אולי אפילו תגלו תגלית חדשה, או אם תבצעו משהו שכלל לא יעבוד. עבור אנשים כמוני, חוסר ידיעה זה תורם להנאה הנלווית לעיסוק במדע!

מילון מונחים

גרביטציה (Gravity): כְּבִידה – כוח שגורם לאובייקטים לנוע זה לכיוון זה.

גלי כּבידה (Gravitational Waves): הפרעות בזמן ובמרחב הנגרמות כתוצאה מתנועת אובייקטים כבדים, ומתפשטות כגלים, במהירות האור.

סופרנובה (Supernova): כאשר כוכב מסיבי מזדקן, הוא מְכַלֶּה את הדלק שלו, מתקרר וקוֹרֵס פּנימה. תהליך זה מייצר כמות אדירה של אנרגיה, אשר מעוררת היתוך גרעיני שמוביל לפיצוץ אדיר.

היתוך גרעיני (Nuclear Fusion): תגובה שבה גרעיני אטוֹמים מתאחדים ויוצרים גרעינים כבדים יותר. עקב כך משתחררת כמות אדירה של אנרגיה לסביבה. חום השמש ואורהּ נובעים מהיתוך גרעיני.

חורים שחורים (Black Holes): האובייקטים המסיביים ביותר שמוכרים ביקום, שבהם הכּבידה חזקה כל כך עד ששום דבר, לרבּוֹת האור, אינו יכול לברוח.

כוכבי ניטרונים (Neutron stars): השאריות של כוכבי ענק שקוֹרסים כשהדלק שלהם אוזל. קָטְרָם של כוכבי נייטרונים בדרך כלל 10 קילומטרים בלבד, והם דחוסים ביותר.

פרוטון (Proton): חלקיק טעון חיובית שנמצא בגרעינים של כל האטומים. גודלם של פרוטונים קטן ממיליארדית מעובייהּ של שׂערה אנושית.

אינטרפרומטריה (Interferometry): שיטת מדידה המשתמשת בקרני לייזר לאיתור תופעות קטנות מאוד, כמו למשל גלי כּבידה במקרה שלנו.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחבּר מצהיר כי המחקר נערך בהיעדר כל קשר מסחרי או כלכלי שיכול להתפרשׁ כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

ברצוני להודות לנועה שגב על עריכת הריאיון שהיווה בסיס למאמר זה, ועל כתיבה משותפת של המאמר. תודה לשרון עמלני עבור איורים 1, 2, ו-3.

הערות שוליים

1. כדי ללמוד עוד על תופעת ההימלטות 'runaway', – לחצו כאן וקִרְאוּ על אודות 'בריחה תֶּרְמִית'.

2. לקריאה נוספת לגבי אינטרפרומטריה והאופן שבו היא משמשת לאיתור גלי כּבידה, ראו כאן וכאן. לחקירה מעמיקה יותר של גלי גרביטציה, קראו כאן ספר מבוא לתחום (באנגלית).

3. אנו יודעים כי יסודות כבדים יכולים להיווצר מיסודות קלים יותר על ידי היתוך גרעיני בכוכבים. אולם, כשחקרנו את מחזוֹר החיים של כוכבים, ראינו שהיסוד הכבד ביותר שנוצר באופן זה הוא ברזל (שמספרו האטומי 26). לאחר שהכוכבים נשרפים וּמְכַלִּים את כל הברזל שלהם, הם קוֹרסים ואינם ממשיכים לייצר יסודות כבדים יותר. לכן, אמור להיות מנגנון אחר שיוצר את היסודות הללו. כיום, ההשׁערה השׁכיחה ביותר היא שיסודות כבדים יותר נייטרונים בהתנגשויות בין כוכבי ניטרונים, שניתן לְאַתְּרָן באמצעות גלי כּבידה (למידע נוסף קִרְאוּ כתבה זו). אנו מקווים כי בשנים הבאות, בעזרת שימוש בגלאֵי ,VIRGO-ו LIGO ייאספו מספיק נתונים שבאמצעותם ניתן יהיה לְתַקֵּף את ההשׁערה לעיל בוודאות גבוהה יותר.


מקורות

[1] Newton, I. 1687. “Principia,” in The Principia: The Authoritative Translation and Guide, eds I. B. Cohen, and A. Whiteman (University of California Press). doi: 10.1525/9780520964815

[2] Einstein, A. 1915. Erklarung der Perihelionbewegung der merkur aus der allgemeinen relativitatstheorie. Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. 47:831–9.

[3] Einstein, A., and Rosen, N. 1937. On gravitational waves. J. Frank. Inst. 223:43–54. doi: 10.1016/S0016-0032(37)90583-0

[4] Barish, B. C., and Weiss, R. 1999. LIGO and the detection of gravitational waves. Phys. Today 52:44–50. doi: 10.1063/1.882861

[5] Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2016. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Phys. Rev. Lett. 116:061102. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061102

[6] Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2017. GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral. Phys. Rev. Lett. 119:161101. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.161101

[7] Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A., et al. 2021. Observation of gravitational waves from two neutron star–black hole coalescences. Astrophys. J. Lett. 915:L5. doi: 10.3847/2041-8213/ac082e