הרעיון להכין רשימת FAQ's על רקע ההישג של LIGO התבשל אצלי על אש קטנה במהלך השבוע שחלף. אמנם מידע רב שוחרר לציבור בערוצים המקובלים אבל התרשמותי הפרטית היתה שהמידע מבולבל, לעיתים קרובות לא מדוייק, וכמעט תמיד חלקי. ביום חמישי שינסתי מתניים והחילותי בליקוט וכתיבה, והרי התוצאה לפניכם (פורסם במקביל בבלוג רשימות בפיזיקה עיונית);
מה הם גלי כבידה?
גלי כבידה הם הפרעות מחזוריות בגיאומטריה של מרקם המרחב-זמן עצמו. למה הכוונה? המרחב-זמן הוא אוסף הסרגלים באמצעותם אנו דוגמים את המציאות החומרית. תורת היחסות הכללית מלמדת אותנו שהכיול של הסרגלים הללו הוא חלק בלתי נפרד מהדינמיקה של המציאות החומרית עצמה, כלומר כיול הסרגלים עצמו תלוי במה שהם מודדים... גלי הכבידה הם שינויים מחזוריים במרחק בין שנתות "המשורטטות" על אותם סרגלים, שינויים המתקדמים במהירות האור ומתרחשים במישור הניצב לכיוון ההתקדמות.
מהיכן נהגה קיומם?
גלי הכבידה הם פתרון של משוואת אינשטיין עבור הסטייה ממרחב שטוח, סטייה המתפשטת באופן רדיאלי כתוצאה מהפרעה מחזורית בשדה הכבידה במקום נתון. עד שנות החמישים לא היה ברור האם יש להם משמעות פיזיקלית כלשהי ובפרט, האם הם נושאים אנרגיה. פליקס פירני הראה במפורש שלגלים האלו השפעה ממשית על תנועתם של חלקיקים המשובצים במרחב-זמן. בסופו של יום גלי כבידה הם אחד הניבויים האקזוטיים של תורת היחסות הכללית (או תורת הכבידה) וגילויים מהווה אישוש נאה לאיכותה ולנכונותה. פליקס פירני - האיש שהניח את היסודות להבנה וטיפול אנליטי בגלי כבידה - הלך לעולמו רק שבועות ספורים לפני ההכרזה על הגילוי.
גלי הכבידה הם פתרון של משוואת אינשטיין עבור הסטייה ממרחב שטוח, סטייה המתפשטת באופן רדיאלי כתוצאה מהפרעה מחזורית בשדה הכבידה במקום נתון. עד שנות החמישים לא היה ברור האם יש להם משמעות פיזיקלית כלשהי ובפרט, האם הם נושאים אנרגיה. פליקס פירני הראה במפורש שלגלים האלו השפעה ממשית על תנועתם של חלקיקים המשובצים במרחב-זמן. בסופו של יום גלי כבידה הם אחד הניבויים האקזוטיים של תורת היחסות הכללית (או תורת הכבידה) וגילויים מהווה אישוש נאה לאיכותה ולנכונותה. פליקס פירני - האיש שהניח את היסודות להבנה וטיפול אנליטי בגלי כבידה - הלך לעולמו רק שבועות ספורים לפני ההכרזה על הגילוי.
האם יש קשר בין גלי כבידה לגרביטונים? האם גלי כבידה הם תופעה של כבידה קוונטית?
תשובה בשליפה לשתי השאלות הללו היא שלילית, אין קשר. גלי כבידה הם תופעה קלאסית לחלוטין ולהבדיל, גרביטונים הם תולדה (היפותטית) של קוונטיזציה (היפותטית) של נשאי הכוח באינטראקציות כבידתיות, והם צפויים להיות חסרי-מסה בדומה לפוטונים וגלואונים. נכון להיום טרם נמצאה דרך לקוונטט את הכבידה באופן עקבי שגם יניב ניבויים כמותיים. ובכל זאת, מסתבר שפרטי הארוע שנקלט ב-LIGO איפשרו לתאורטיקנים להציב חסם עליון למסה של הגרביטון ההיפותטי: \(m_{\text{graviton}}\leq1.2\times10^{-22}\text{ev}/c^{2}\). אין לי כל מידע ומושג כיצד זה נעשה.
מהם המקורות לגלי כבידה?
כאמור, המקורות לגלי כבידה הם גופים מסיביים מאוד וקומפקטים מאוד הנמצאים בתנועה מחזורית (בדומה לזה, גלים אלקטרומגנטיים נוצרים ע"י מטענים חשמליים הנמצאים בתנועה מחזורית). גופים אלו עשויים להיות צמד כוכבי ניטרונים או צמד חורים שחורים המסתחררים בעוצמה רבה סביב מרכז כובד משותף. האינטראקציה הכבידתית בין שני הגופים משגרת אל המרחב גלי כבידה הנושאים עימם חלק מהאנרגיה של המערכת. אבדן האנרגיה מוביל להתקרבות הגופים וחיזוק האינטראקציה הכבידתית ביניהם, מה שמוביל להעצמה של הקרינה הכבידתית וחוזר חלילה. זהו איפה תהליך מסוג משוב הגברה וסופם של שני הגופים להתאחד באלימות.
כאמור, המקורות לגלי כבידה הם גופים מסיביים מאוד וקומפקטים מאוד הנמצאים בתנועה מחזורית (בדומה לזה, גלים אלקטרומגנטיים נוצרים ע"י מטענים חשמליים הנמצאים בתנועה מחזורית). גופים אלו עשויים להיות צמד כוכבי ניטרונים או צמד חורים שחורים המסתחררים בעוצמה רבה סביב מרכז כובד משותף. האינטראקציה הכבידתית בין שני הגופים משגרת אל המרחב גלי כבידה הנושאים עימם חלק מהאנרגיה של המערכת. אבדן האנרגיה מוביל להתקרבות הגופים וחיזוק האינטראקציה הכבידתית ביניהם, מה שמוביל להעצמה של הקרינה הכבידתית וחוזר חלילה. זהו איפה תהליך מסוג משוב הגברה וסופם של שני הגופים להתאחד באלימות.
 |
| סימולציה נומרית של גלי כבידה הנוצרים משני חורים שחורים החגים סביב מרכז כובד משותף ונופלים אחד לתוך השני. כתמי הצבע מתארים את משרעת גלי הכבידה המוקרנים מכל אחד מהחורים השחורים. הקו הספירלי המנוקד מתאר את מסלול ההתנגשות החזוי. קרדיט: C. Henze/NASA Ames Research Center |
במה כרוך הדבר לדגום גלי כבידה?
ההספק הרגעי (אנרגיה ליחידת זמן) ביצירת גלי כבידה נמוך לאין שיעור מההספק הרגעי ביצירת גלים אלקטרומגנטיים. לדוגמא, הספק הקרינה הכבידתית של המערכת שמש-כדה"א הוא כ- 200 ואט. השוו זאת להספק הקרינה האלקטרומגנטית הבוקעת מהשמש, מסדר גודל של \(10^{26}\) ואט. גלי כבידה הם כל כך 'חלשים' וחמקמקים עד כי נראה היה שגילוי שלהם הוא בחזקת פנטזיה על אדי אלכוהול. שינוי במרווחי השנתות על גבי סרגלי המרחב-זמן הנגרם כתוצאה ממאורע קטקליסמי בגלקסיה רחוקה הוא בשיעור של אחד חלק אלף מרדיוס הפרוטון.
ההספק הרגעי (אנרגיה ליחידת זמן) ביצירת גלי כבידה נמוך לאין שיעור מההספק הרגעי ביצירת גלים אלקטרומגנטיים. לדוגמא, הספק הקרינה הכבידתית של המערכת שמש-כדה"א הוא כ- 200 ואט. השוו זאת להספק הקרינה האלקטרומגנטית הבוקעת מהשמש, מסדר גודל של \(10^{26}\) ואט. גלי כבידה הם כל כך 'חלשים' וחמקמקים עד כי נראה היה שגילוי שלהם הוא בחזקת פנטזיה על אדי אלכוהול. שינוי במרווחי השנתות על גבי סרגלי המרחב-זמן הנגרם כתוצאה ממאורע קטקליסמי בגלקסיה רחוקה הוא בשיעור של אחד חלק אלף מרדיוס הפרוטון.
כמה מילים על הניסוי?
בבקשה: גלאי LIGO הוא אינטרפרומטר (מאבך) דו-זרועי של קרינה אלקטרומגנטית בתחום האינפרא-אדום. אורכה של כל זרוע הוא כארבעה קילומטר, הזרועות ניצבות זו לזו ובקצה המרוחק שלהן מראה מלוטשת. חשוב ביותר שאורכן של הזרועות יהיה שונה כדי מחצית אורך הגל המואבך בדרגת דיוק אולטרא-פנטסטית. קרן לייזר בהספק של כ-200 ואט משוגרת אל המאבך ומתפצלת, וכל אחת משתי קרני הבת נעה הלוך וחזור כדי ליצור לבסוף תבנית התאבכות הורסת מושלמת על הגלאי (כלומר דבר לא נראה בגלאי).
גל כבידה העובר בניצב לאינטרפרומטר מאריך את אחת מזרועותיו בשיעור של אלפית קוטרו של של פרוטון (\(10^{-18}\) מטר), ומקצר את השנייה בשיעור דומה. במקרה זה נפגמת שלמות ההתאבכות ההורסת ומופיע סיגנל אור חלש על הגלאי.
בבקשה: גלאי LIGO הוא אינטרפרומטר (מאבך) דו-זרועי של קרינה אלקטרומגנטית בתחום האינפרא-אדום. אורכה של כל זרוע הוא כארבעה קילומטר, הזרועות ניצבות זו לזו ובקצה המרוחק שלהן מראה מלוטשת. חשוב ביותר שאורכן של הזרועות יהיה שונה כדי מחצית אורך הגל המואבך בדרגת דיוק אולטרא-פנטסטית. קרן לייזר בהספק של כ-200 ואט משוגרת אל המאבך ומתפצלת, וכל אחת משתי קרני הבת נעה הלוך וחזור כדי ליצור לבסוף תבנית התאבכות הורסת מושלמת על הגלאי (כלומר דבר לא נראה בגלאי).
גל כבידה העובר בניצב לאינטרפרומטר מאריך את אחת מזרועותיו בשיעור של אלפית קוטרו של של פרוטון (\(10^{-18}\) מטר), ומקצר את השנייה בשיעור דומה. במקרה זה נפגמת שלמות ההתאבכות ההורסת ומופיע סיגנל אור חלש על הגלאי.
כיצד מנקים את הרעש?
"רעשי הסביבה" הם רבים ומגוונים ובלי צל של ספק עצמתם גדולה בסדרי גודל מזו של גל כבידה. כדי לנטרל מקורות רעש קרובים בנו שני גלאים שמוקמו במרחק של כשלושת אלפים קילומטרים זה מזה, האחד בואנפורד שבמדינת וושינגטון, השני בליווינגסטון שבלואיזיאנה. אות הנקלט בו-זמנית בשניהם מצביע על סיכוי לארוע אמת המגיע ממקורות חוץ ארציים. תורת הכבידה מנבאת במדויק כיצד יראה אות המשוגר מארוע קוסמי המייצר גלי כבידה. מצורת האות ומשכו ניתן לשחזר את הפיזיקה של הארוע ואת כמות האנרגיה הכוללת שהוקרנה באמצעות גלי כבידה. ובכל זאת, איך מזהים אות כל כך חלש בתוך רעש אדיר ומתמשך? אין לי מושג.
מה ארע ומתי? על מה הבאז התקשורתי?
ב-14 בספטמבר 2015 בשעה 9:50:45 בבוקר שעון מקומי, יומיים בלבד לאחר הפעלת המערכת הניסויית המשודרגת, התקבל בשני הגלאים בו-זמנית אות של גל כבידתי שנמשך כחמישית השנייה:
מה ניתן היה להסיק מהגילוי?
ב-14 בספטמבר 2015 בשעה 9:50:45 בבוקר שעון מקומי, יומיים בלבד לאחר הפעלת המערכת הניסויית המשודרגת, התקבל בשני הגלאים בו-זמנית אות של גל כבידתי שנמשך כחמישית השנייה:
 |
| האות שנקלט בגלאי, לקוח מהפירסומים הרשמיים. |
תדירות האות השתנתה בין \(35\) ל-\(250\) הרץ השקולים לאורכי גל המתפרשים (בקירוב) בטווחים שבין \(1200\) ל-\(8565\) קילומטרים. מתיחת השנתות שנמדדה על גבי סרגלי המרחב היתה מסדר גודל של \(10^{-21}\) שנתה אחת. הארוע קיבל את הכינוי GW150914.
מה ניתן היה להסיק מהגילוי?
נתונים אלו תואמים ארוע קטקליסמי ובו שני חורים שחורים קורסים זה לעבר זה בספירלה, ומתאחדים. הארוע שיצר את האות מרוחק \(410^{+160}_{-180}\) מגה-פרסק. \(410\) מגה-פרסק הם בקירוב \(1,336,600,000\) שנות אור. כלומר בערך \(1.3\) מליארד שנות אור מאיתנו. שימו לב לאי-הודאות העצומה במרחק אשר מקורה בקושי למקם נקודה במרחב באמצעות רק שני גלאים (גלאי שלישי הולך ונבנה מתוכנן להיבנות בהודו).
מסתם של החורים השחורים במערכת המנוחה של מקור האות, בטרם התנגשות, היא \(36^{+5}_{-4}M_{\odot}\) ו- \(29^{+4}_{-4}M_{\odot}\) (היחידה \(M_{\odot}\) מסמנת מסת שמש), ואילו מסת החור השחור שהתהווה מהאיחוד היא \(62^{+4}_{-4}M_{\odot}\). בשבר השניה האחרונה שלפני ההתנגשות היתה תדירות הסיבוב של המערכת הבינארית מאות מחזורים בשניה, ומהירותם המשיקית של החורים השחורים הגיעה כדי מחצית ממהירות האור. בזמן קצר זה הפכו שלוש מסות שמש תמימות לאנרגיה בצורה של גלי כבידה (בהתאם לקשר \(E=mc^{2}\)). למי שלא מבין את משמעות הדבר: חומר בהיקף כמותי של כמיליון כדורי ארץ התאיין לגלי כבידה בתוך שבר של שניה.
מסתם של החורים השחורים במערכת המנוחה של מקור האות, בטרם התנגשות, היא \(36^{+5}_{-4}M_{\odot}\) ו- \(29^{+4}_{-4}M_{\odot}\) (היחידה \(M_{\odot}\) מסמנת מסת שמש), ואילו מסת החור השחור שהתהווה מהאיחוד היא \(62^{+4}_{-4}M_{\odot}\). בשבר השניה האחרונה שלפני ההתנגשות היתה תדירות הסיבוב של המערכת הבינארית מאות מחזורים בשניה, ומהירותם המשיקית של החורים השחורים הגיעה כדי מחצית ממהירות האור. בזמן קצר זה הפכו שלוש מסות שמש תמימות לאנרגיה בצורה של גלי כבידה (בהתאם לקשר \(E=mc^{2}\)). למי שלא מבין את משמעות הדבר: חומר בהיקף כמותי של כמיליון כדורי ארץ התאיין לגלי כבידה בתוך שבר של שניה.
זהו הגילוי הישיר הראשון של גלי כבידה והפעם הראשונה בה נצפה איחוד של חורים שחורים. ההספק שהתקבל בשיא הארוע, מסדר גודל של \(10^{50}\) ג'אול לשניה, גדול יותר (כך נטען בכמה פרסומים לא מחייבים) מההספק הרגעי של כל כוכבי היקום גם יחד... ראוי לציין שתאור כמותי של תהליכים מסוג זה מצריך שיטות מתמטיות מתקדמות ומחשבי-על אולטרא-חזקים, ולטענת החוקרים לא היה ניתן לביצוע לפני שנת 2005.
 |
| תאור הארוע (לקוח מהפרסומים הרשמיים). |
מה הסיכוי שהאות שנדגם מבטא "סידור נדיר של רעש חסר ערך"?
אחד ל-\(203,000\) שנים צפוי להתרחש ארוע מתחזה בודד מסוג זה. לכן מידת המובהקות של האות היא \(5.1\) סיגמות, בדומה למובהקות שהתקבלה בכל אחד משני הגלאים ב-CERN (אטלס ו-CMS) עם ההכרזה על גילוי חלקיק ההיגס.
המחשת הארוע שיצר את האות:
הסרטון מטה מסמלץ את הארוע בהתחשב במשוואות תורת הכבידה על פי אינשטיין. שדות הכבידה האדירים של שני החורים מעוותים את המרחב-זמן סביבם, מה שמשבש את מסלולי קרני האור של הכוכבים שברקע. כל התופעות האופטיות החזויות, ובכללם עידוש כבידתי וטבעות אינשטיין, מתעצמות. במידה רבה מאוד הרקע של החלל הבין כוכבי מאפשר לראות ממש בעיניים - ולפרטי פרטים - את עיקום המרחב-זמן בקרבת הארוע. בהיבט הזה אני מוצא את הסרטון ממש מדהים. שימו לב שכל התהליך אורך במציאות כחצי שניה, כך שזהו למעשה סימלוץ בהילוך איטי.
זאת ועוד: רואים בעיניים את גלי הכבידה המוקרנים. אלו הם האדוות המחזוריות המתפשטות באופן רדיאלי ממקום הארוע והחוצה. שימו לב לרטט המופיע במרחב-זמן גם לאחר שנראה כאילו הארוע כבר הסתיים.
מסקנות כלליות מהניסוי:
- חורים שחורים מתנהגים (ובעיקר מתאחדים) בהתאם לאופן בו מתארת זאת תורת היחסות הכללית.
- גלי כבידה קיימים, והם נוצרים ומוקרנים כפי שניבא זאת לראשונה הדוד אלברט (ניבא, התכחש, ולבסוף התרצה) וכפי שביסס את הניבוי סבא פליקס.
- הוכחה היתכנות מפורשת לאסטרונומיה של גלי כבידה מה שפותח חלון חדש לגמרי לחקירת תופעות כבידתיות. אינטרפרומטרים הם טלסקופי הכבידה של העתיד!
האם היתה זו העדות הראשונה לקיומם של גלי כבידה?
לא, בהחלט לא. עדות חותכת אך עקיפה לקיומם של גלי כבידה התקבלה בשנות השבעים על ידי ראסל הולס וג'ו טיילור. השניים בדקו את הירידה בתדירות ההקפות המחזוריות של מערכת בינארית של כוכבי ניטרונים כתוצאה מאיבוד אנרגיה בקרינת גלי כבידה. הקו הרצוף בגרף מטה מתאר את הדעיכה כפי שצופה זו תורת היחסות הכללית. הצלבים הקטנטנים מציינים את תוצאות התצפית. ההתאמה הפנטסטית הביאה את חברי ועדת נובל להעניק לשניים את הפרס בשנת 1993.
תוספת: שמועות מדברות על שבעה ארועים נוספים שנקלטו בגלאי LIGO מאז הגילוי של ה-14 בספטמבר. אותן שמועות מספרות שבכל שבעת המקרים הללו האותות שנתקבלו היו חלשים יותר מ- GW150914.
מילותי שלי: נדמה לי שאי אפשר להפריז בחשיבות התגלית, לפחות בהיבט של האסטרונומיה החדשה. היכולת לצפות במעמקי היקום באמצעות "טלסקופ כבידתי" היא לדעתי ההישג הגדול באמת, אולי בסדר גודל של המהפך שהתחולל במדע עם בואו של גלילאו. אחרי ככלות הכל הכבידה אינה יודעת מחסום מהו. ובפרט, מה כבר יכול לעמוד בדרכם של גלי מאומה?...
ולקינוח:
מקורות:
- Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
- Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes
- Here’s the first person to spot those gravitational waves
- LIGO discovers a black hole merger 1.3 billion light years away
- Corrected title: Einstein was wrong again, gravitational waves exist
- Advance Thoughts on LIGO
מצאתם טעות? יש הסתייגות? אשמח אם תשתפו.
1. האם אירועים כאלה מתרחשים כל הזמן?
השבמחקאם לא, איך מסבירים את התצפית הסמוכה כל כך להפעלת המתקן?
2. האם ניתן לדעת היכן קרה האירוע מבחינה זוויתית? האם טלסקופים רגילים צפו באירוע?
תשובות: (מתנצל על הדיחוי, משום מה המערכת לא עידכנה אותי במייל על התגובה או שהמייל חמק מעיניי).
מחק1) קרוב לוודאי שכן. ביקום מאות מיליארדי גלקסיות ובכל אחת מהן מאות (אם לא אלפי) מיליארדי כוכבים. אמנם רק שבר של אחוז מהם מסיימים חייהם כצמד או שלשה של חורים שחורים, אבל זה כנראה מספיק כדי שהארוע לא יהיה נדיר.
2) מעריך שטלסקופים רגילים לא יכולים להבחין בכך, הרי הארוע מתרחש בגלקסיות רחוקות ועיקר האנרגיה מופקת באמצעות גלי כבידה ולא גלי אור, אבל איני בקיא בפרטים. אמנם הארוע ניצפה רק בשני גלאים ולכאורה אין דרך למקמו במדוייק בתלת-מרחב, אבל לאינטרפרומטרים יש כיוונים מועדפים - רק אם גלי הכבידה מקוטבים בהתאם לכיווני הזרועות נקלט ארוע ברור. לכן ייתכן שמתוך כך הוציאו מידע על מיקומו הזוויתי של הארוע. אבל זו רק השערה שאני מעלה, אין לי מידע מדוייק על כך וגם איני בטוח שיש בהשערה הזו "בשר".