היום הרשמי לגילוי (זיהוי) של גלי כבידה הוא 11 בפברואר 2016. אז, במסיבת עיתונאים בוושינגטון, הודיעו מנהיגי שיתוף הפעולה של LIGO שצוות חוקרים הצליח לתעד את התופעה הזו בפעם הראשונה בתולדות האנושות.
נבואותיו של איינשטיין הגדול
גם בתחילת המאה הקודמת (1916), אלברט איינשטיין הציע שגלי כבידה קיימים במסגרת תורת היחסות הכללית (GR) שנוסחה על ידו. אפשר רק להתפעל מהיכולות המבריקות של הפיזיקאי המפורסם, שעם מינימום נתונים אמיתיים הצליח להסיק מסקנות כה מרחיקות לכת. בין התופעות הפיזיות החזויות הרבות שאושרו במאה הבאה (האטת זרימת הזמן, שינוי כיוון הקרינה האלקטרומגנטית בשדות כבידה וכו'), לא ניתן היה לזהות באופן מעשי את נוכחותם של גל מסוג זה. אינטראקציה של גופים עד לאחרונה.
כוח המשיכה הוא אשליה?
באופן כללי, באורתורת היחסות בקושי יכולה לקרוא לכוח הכבידה. זוהי תוצאה של הפרעה או עקמומיות של רצף המרחב-זמן. דוגמה טובה הממחישה את ההנחה הזו היא פיסת בד מתוחה. מתחת למשקל של חפץ מסיבי המונח על משטח כזה, נוצרת שקע. עצמים אחרים הנעים ליד אנומליה זו ישנו את מסלול תנועתם, כאילו "נמשכים". וככל שמשקלו של האובייקט גדול יותר (ככל שהקוטר ועומק העקמומיות גדולים יותר), כך עולה "כוח המשיכה". כאשר הוא נע דרך הבד, אתה יכול לראות הופעת "אדווה" מתפצלת.
משהו דומה קורה בחלל העולמי. כל חומר מאסיבי הנעים במהירות הוא מקור לתנודות בצפיפות המרחב והזמן. גל כבידה בעל משרעת משמעותית, שנוצר על ידי גופים בעלי מסות גדולות במיוחד או כאשר נעים בתאוצות ענק.
מאפיינים פיזיים
התנודות של מדד המרחב-זמן מתבטאות כשינויים בשדה הכבידה. תופעה זו נקראת אחרת אדוות מרחב-זמן. גל הכבידה פועל על הגופים והעצמים שנתקלים בהם, דוחס ומותח אותם. ערכי העיוות קטנים מאוד - בערך 10-21 מהגודל המקורי. כל הקושי לזהות תופעה זו היה שהחוקרים נאלצו ללמוד כיצד למדוד ולתעד שינויים כאלה בעזרת ציוד מתאים. כוחה של קרינת הכבידה גם הוא קטן ביותר - עבור מערכת השמש כולהכמה קילוואטים.
מהירות ההתפשטות של גלי כבידה תלויה מעט בתכונות המדיום המוליך. משרעת התנודה יורדת בהדרגה עם המרחק מהמקור, אך לעולם לא מגיעה לאפס. התדר נע בטווח שבין כמה עשרות למאות הרץ. מהירות גלי הכבידה בתווך הבין-כוכבי מתקרבת למהירות האור.
ראיות נסיבתיות
לראשונה, האישור התיאורטי לקיומם של גלי כבידה הושג על ידי האסטרונום האמריקאי ג'וזף טיילור ועוזרו ראסל הולס ב-1974. בחקר מרחבי היקום באמצעות טלסקופ הרדיו של מצפה הכוכבים ארסיבו (פוארטו ריקו), גילו החוקרים את הפולסר PSR B1913 + 16, שהוא מערכת בינארית של כוכבי נויטרונים המסתובבים סביב מרכז מסה משותף במהירות זוויתית קבועה (מקרה די נדיר). בכל שנה, תקופת המהפכה, שהייתה במקור 3.75 שעות, מצטמצמת ב-70 אלפיות השנייה. ערך זה תואם למדי את המסקנות ממשוואות GR המנבאות עלייה במהירות הסיבוב של מערכות כאלה עקב הוצאת אנרגיה ליצירת גלי כבידה. לאחר מכן, התגלו מספר פולסרים כפולים וגמדים לבנים בעלי התנהגות דומה. אסטרונומי הרדיו ד' טיילור ור' האלסה זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1993 על גילוי אפשרויות חדשות לחקר שדות כבידה.
גל כבידה נמלט
הצהרה ראשונה עלזיהוי גלי הכבידה הגיע מהמדען מאוניברסיטת מרילנד ג'וזף ובר (ארה"ב) ב-1969. למטרות אלה, הוא השתמש בשתי אנטנות כבידה בעיצובו שלו, מופרדות במרחק של שני קילומטרים. גלאי התהודה היה צילינדר אלומיניום בעל רטט אחד באורך שני מטרים מצויד בחיישנים פיזואלקטריים רגישים. משרעת התנודות שנרשמה לכאורה על ידי ובר התבררה כיותר מפי מיליון מהערך הצפוי. ניסיונות של מדענים אחרים שהשתמשו בציוד כזה כדי לחזור על "הצלחתו" של הפיזיקאי האמריקאי לא הביאו לתוצאות חיוביות. כמה שנים מאוחר יותר, עבודתו של ובר בתחום זה הוכרה כבלתי נסבלת, אך נתנה תנופה לפיתוח "בום כבידה" שמשך מומחים רבים לתחום מחקר זה. אגב, ג'וזף ובר עצמו היה בטוח עד סוף ימיו שהוא קיבל גלי כבידה.
שיפור בציוד הקבלה
בשנות ה-70, המדען ביל פיירבנק (ארה"ב) פיתח עיצוב של אנטנת גלי כבידה מקורר על ידי הליום נוזלי באמצעות SQUIDs - מגנומטרים רגישים במיוחד. הטכנולוגיות שהיו קיימות באותה תקופה לא אפשרו לממציא לראות את המוצר שלו, ממומש ב"מתכת".
גלאי הכבידה Auriga נוצר בדרך זו במעבדת Legnard הלאומית (פדובה, איטליה). העיצוב מבוסס על גליל אלומיניום-מגנזיום באורך 3 מטר ובקוטר 0.6 מ' מכשיר קליטה במשקל 2.3 טוןתלוי בתא ואקום מבודד מקורר כמעט לאפס מוחלט. מהוד קילוגרם עזר ומתחם מדידה מבוסס מחשב משמשים לקיבוע וזיהוי רעידות. רגישות ציוד מוצהרת 10-20.
אינטרפרומטרים
פעולת גלאי הפרעות של גלי כבידה מבוססת על אותם עקרונות כמו האינטרפרומטר של מיכלסון. קרן הלייזר הנפלטת מהמקור מחולקת לשני זרמים. לאחר השתקפויות מרובות ונסיעות לאורך כתפי המכשיר, הזרמים שוב מאחדים, ותמונת ההפרעות הסופית משמשת כדי לשפוט אם הפרעות כלשהן (לדוגמה, גל כבידה) השפיעו על מהלך הקרניים. ציוד דומה נוצר במדינות רבות:
- GEO 600 (הנובר, גרמניה). אורך מנהרות הוואקום הוא 600 מטר.
- TAMA (יפן) 300 מ' כתפיים
- VIRGO (פיזה, איטליה) הוא פרויקט צרפתי-איטלקי משותף שהושק ב-2007 עם מנהרות באורך 3 ק"מ.
- LIGO (ארה"ב, חוף האוקיינוס השקט), מחפש גלי כבידה מאז 2002.
שווה לשקול את האחרון בפירוט רב יותר.
LIGO Advanced
הפרויקט יזמו מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ומהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. כולל שני מצפה כוכבים המופרדים ב-3,000 ק מ, במדינות לואיזיאנה וושינגטון (הערים ליווינגסטון והנפורד) עם שלושה אינטרפרומטרים זהים. אורך ואקום אנכימנהרות היא 4,000 מטרים. אלו הם המבנים הגדולים ביותר הפועלים כיום. עד 2011, ניסיונות רבים לזהות גלי כבידה לא הביאו לתוצאות. המודרניזציה המשמעותית שבוצעה (Advanced LIGO) העלתה את רגישות הציוד בטווח של 300-500 הרץ ביותר מפי חמישה, ובאזור התדר הנמוך (עד 60 הרץ) כמעט בסדר גודל, והגיעה ערך נחשק כזה של 10-21. הפרויקט המעודכן החל בספטמבר 2015, והמאמצים של יותר מאלף משתפי פעולה זכו לתוצאות.
גלי כוח משיכה זוהו
ב-14 בספטמבר 2015, גלאי LIGO מתקדמים במרווח של 7 אלפיות השנייה תיעדו גלי כבידה שהגיעו לכוכב הלכת שלנו מהתופעה הגדולה ביותר שהתרחשה בפאתי היקום הנצפה - מיזוג של שני חורים שחורים גדולים עם מסות פי 29 ו-36 ממסת השמש. במהלך התהליך, שהתרחש לפני יותר מ-1.3 מיליארד שנים, הוצאו כשלוש מסות שמש של חומר על קרינת גלי כבידה בתוך שברירי שנייה. התדר ההתחלתי של גלי כבידה נרשם כ-35 הרץ, וערך השיא המרבי הגיע ל-250 הרץ.
התוצאות שהתקבלו עברו שוב ושוב לאימות ועיבוד מקיפים, פרשנויות חלופיות של הנתונים שהתקבלו נותקו בזהירות. לבסוף, ב-11 בפברואר בשנה שעברה, הוכרז לקהילה העולמית על הרישום הישיר של התופעה שחזה איינשטיין.
עובדה הממחישה את עבודתם הטיטאנית של חוקרים: משרעת התנודות בממדים של זרועות האינטרפרומטר הייתה 10-19m - ערך זה קטן בהרבה מקוטר של אטום מכיוון שהוא קטן מתפוז.
סיכויים פוטנציאליים נוספים
התגלית שוב מאשרת שתורת היחסות הכללית היא לא רק קבוצה של נוסחאות מופשטות, אלא מבט חדש ביסודו של מהות גלי הכבידה וכוח הכבידה בכלל.
במחקר נוסף, מדענים תולים תקוות גדולות בפרויקט ELSA: יצירת אינטרפרומטר מסלולי ענק עם זרועות של כ-5 מיליון ק מ, המסוגל לזהות אפילו הפרעות קלות של שדות כבידה. התעצמות העבודה בכיוון זה יכולה לספר הרבה על השלבים העיקריים בהתפתחות היקום, על תהליכים שקשה או בלתי אפשרי לצפות בהם בלהקות מסורתיות. אין ספק שחורים שחורים, שגלי הכבידה שלהם יתוקנו בעתיד, יספרו הרבה על טבעם.
כדי לחקור את שריד קרינת הכבידה, שיכולה לספר על הרגעים הראשונים של עולמנו לאחר המפץ הגדול, יידרשו מכשירי חלל רגישים יותר. פרויקט כזה קיים (Big Bang Observer), אך יישומו, לפי מומחים, אפשרי לא לפני 30-40 שנה.
