לגלים כבידתיים תפקיד חשוב בהבנה כיצד מתנהג היקום במרחקים גדולים מאוד. לאחר המדידה הראשונה של גלים כבידתיים ובעקבותיה הגילוי הראשון של מיזוג חורים שחורים ב-2015, והזכייה בפרס נובל ב-2017, האסטרונומיה נכנסת לעידן בו מדידה של גלים כבידתיים הופכת לעניין שבשגרה וכיום ניתן לעקוב אחרי חורים שחורים בזמן אמת דרך האינטרנט. עם התרבות הגילויים ושיפור דיוק המדידות אנו קרובים לקבלת תשובות לשאלות כמו: כמה כבד יכול להיות חור שחור הנוצר בעת מותו של כוכב? מתי הופך כוכב נויטרונים לחור שחור? ואפילו - מה קצב ההתפשטות של היקום?

ב-14.09.2015 נמדדו לראשונה גלים כבידתיים על כדור הארץ [1]. האותות שנצפו בגלאים בישרו על שני חורים שחורים אי שם בגלקסיה רחוקה, אשר התמזגו לאחד לפני מאות מיליוני שנים. זה היה הגילוי הראשון מסוגו, ואישוש נוסף של תורת היחסות הכללית של איינשטיין. חשיבותו של הגילוי הוכרה עם הענקת פרס נובל בפיזיקה לשנת 2017 לראינר ווייס, בארי באריש וקיפ ת'ורן [2]. אירועים דומים נוספים, של שני חורים שחורים מתמזגים, נמדדו מאז הגילוי הראשון.

אירוע חשוב נוסף הקשור בגלים כבידתיים התרחש ב-17.08.2017. אז, יחד עם מדידה נוספת של גלים כבידתיים בגלאים, נמדדה גם קרינת גמא באותו הזמן בדיוק [3]. אירוע זה היה שונה מקודמיו, מכיוון שהפעם לא היו אלה שני חורים שחורים אשר התמזגו, אלא שני כוכבי נויטרונים - כוכבים דחוסים מאוד העשויים בעיקר מנויטרונים וצפיפותם היא כמו גרעין של אטום. אפשר לדמיין שניקח את השמש שקוטרה מעל מיליון קילומטרים ונכווץ אותה למספר קילומטרים בודדים. במשך שנים שיערו מדענים כי התפרצויות קרינת גמא נובעות ממיזוג של שני כוכבי נויטרונים [4], והאירוע של 17.08.2017 היה הוכחה ישירה ראשונה. בתהליך נמדדה קרינה שהשתחררה בהתפרקות רדיואקטיבית של יסודות כבדים [5] שנוצרו במיזוג של כוכבי הנויטרונים, בתופעה המכונה קילונובה [6].

כיום אנחנו נמצאים בימיה של ההפעלה השלישית (O3) של הגלאים, הנקראים גלאי LIGO ו-VIRGO. הגילוי הראשון של מיזוג חורים שחורים נמדד במהלך ההפעלה הראשונה של הגלאים (O1), וכוכבי נויטרונים מתמזגים נמדדו לראשונה במהלך ההפעלה השנייה (O2). בין ההפעלות הגלאים מכובים ומבוצעות עבודות תחזוקה ושדרוג, כך שדיוק הגלאים משתפר. אז מה חדש בימים אלה, ומה יש עוד לגלות?

חידוש מהותי ב-O3 הוא שכאשר מתקבלים בגלאים רמזים לגלים כבידתיים, המידע משוחרר מיד לעולם [7]. זאת לעומת ההפעלות הראשונות, שבהן לא פורסם שום מידע עד שהסתיים ניתוח התוצאות. כיום ניתן אפילו לקבל על הרמזים המתגלים התראה במסרון. המידע החשוב ביותר הוא האזור בשמיים החשוד כמקור האות. אסטרונומים יכולים להפנות טלסקופים לכיוון החשוד ולחפש אותות אלקטרומגנטיים הנלווים לגלי הכבידה. על מנת למצוא את מיקום המקור יש צורך במספר גלאים פעילים בו-זמנית (מעין טריאנגולציה). באירוע המפורסם של 17.08.2017 נעשה שימוש בשני גלאי LIGO שבארצות הברית יחד עם הגלאי VIRGO שבאיטליה על מנת למקם את האירוע בגלקסיה NGC 4993.

ארוע נוסף נקלט בגלאים השנה ב-25.04.2019 [8], אך היה קשה מאוד לאתר את הגלקסיה בה הוא התרחש. ניתוח מפורט של תוצאות המדידה מ-25.04.2019 פורסם בימים האחרונים. במקרה זה מדובר על התמזגות שני כוכבי נויטרונים ממנה כנראה נוצר חור שחור, ואלו כוכבי הנויטרונים הכבדים ביותר שנמדדו אי פעם [9, 10, 11]. ארוע נוסף נקלט בגלאים ב-26.04.2019, אשר כנראה נבע ממיזוג של חור שחור וכוכב נויטרונים [12, 13]. אם זה המצב, זה יהיה הגילוי הראשון מסוגו, אך יש להמתין לסיום ניתוח התוצאות.

כמו בכל שיטת מדידה חדשה, יש גבול לכמות הגילויים הראשונים מסוגם שניתן למדוד באמצעות גלים כבידתיים, אך גם למדידות של אירועים מאותו סוג יש ערך, במיוחד במובן הסטטיסטי. מדידת קצב האירועים ותכונות החורים השחורים או כוכבי הנויטרונים המתמזגים מלמדת על אופן חייהם של הכוכבים [14], אשר מותם קדם (במיליוני או מיליארדי שנים) לפליטת הגלים הכבידתיים. נוכל לדעת כמה כבד יכול להיות חור שחור הנוצר ממותו של כוכב [15, 16] או מתי כוכב נויטרונים יהפוך לחור שחור, כפי שאולי קרה גם באירוע שנמדד ב-17.08.2017 [17]. 

בנוסף, מכיוון שצורת האות הנמדד בגלאים מכילה מספיק מידע על מנת להעריך עד כמה כבדים כוכבי הנויטרונים המתמזגים, אפשר להסיק מכך את עוצמת האות שאמור להתקבל באירוע ההתמזגות. בשילוב עם עוצמת האות המתקבלת מהמדידה עצמה ניתן לקבל הערכת מרחק לגלקסיה בה התרחש האירוע, שהינה בלתי-תלויה בשיטות אחרות, ולהעריך את קצב התפשטות היקום [18]. אירוע בודד אינו מספק מדידה מדויקת במיוחד, אך עם ההצטברות הצפויה של עשרות או מאות מדידות בעתיד הלא רחוק ניתן יהיה לקבל מדידה מדויקת יותר, שאולי תעזור להבין את חוסר ההתאמה בין מדידות קצב התפשטות היקום כפי שמתקבל משתי שיטות בלתי תלויות אחרות [19].

העתיד צפוי לספק עוד גילויים מעניינים, המשיכו לעקוב!

סימולציה יחסותית של התמזגות שני כוכבי נויטרונים והפיכתם לחור שחור תוך פליטת גלי כבידה.

קרדיט: CoRe collaboration www.computational-relativity.org / Jena FSU

מקורות:

[1] על גלי כבידה באתר מדע גדול, בקטנה

[2] עוד על הפרס באתר מדע גדול, בקטנה

[3] שימוש ראשון בגלים כבידתיים, באתר מדע גדול, בקטנה

[4] Short-hard gamma-ray bursts

[5] Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron-star merger

[6] Electromagnetic counterparts of compact object mergers

[7] מידע על כל הגילויים הפוטנציאליים - מתעדכן בזמן אמת

[8] מידע על אירוע שנמדד ב-25.04.2019

[9] GW190425

[10] Gravitational Waves from Second Neutron-star Collision Observed

[11] Gravitational waves: Cosmic vibrations sensed from unusual star merger

[12] מידע על אירוע שנמדד ב-26.04.2019

[13] Gravitational waves hint at detection of black hole eating star

[14] כוכבים: כרוניקה של מוות ידוע מראש

[15] The Evolution of Massive Helium Stars

[16] Pulsational Pair-instability Supernovae

[17] Constraining the Maximum Mass of Neutron Stars

[18] A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant

[19] Prospects for Resolving the Hubble Constant Tension with Standard Sirens