ברוכים הבאים אל העידן בו האנושות מסוגלת להבין, למדוד ואולי בקרוב אף לנווט בגלי הכבידה. מה שאתם הולכים להיחשף אליו כעת הוא תגלית אשר עוד תעשה גלים רבים ברשת החברתית והמרחבית – 100 שנים אחרי שאלברט איינשטיין ניבא את קיומם במסגרת תאוריית היחסות הכללית.
מאת צוות הפיזיקאים של מדע גדול, בקטנה: מאיר זיליג-הס, אהוד (אודי) לם, ד"ר בועז קרני ושלומי בושר.
הכל התחיל ב-25 בספטמבר 2015, כשהקוסמולוג המפורסם, פרופ' לורנס מ. קראוס, צייץ בחשבון הטוויטר שלו [1] כי "יש שמועה על גילוי של גל גרוויטציה בגלאי LIGO. מדהים אם זה אמיתי. אפרסם פרטים אם זה ישרוד". הגלאי Laser) LIGO Interferometer Gravitational-Wave Observatory) המוזכר בציוץ, הוא הגלאי המתקדם ביותר על פני כדור הארץ, האמון על הניסיון למדוד את גלי הכבידה החמקמקים. ציוצו של פרופ' קראוס פורסם לאחר פחות משבוע לפתיחה המחודשת של LIGO. מאותו הרגע, התפשטה השמועה ברשת במהירות שאינה נופלת ממהירות גלי הכבידה עצמם. בין התגובות היו רבים, הן אנשי מקצוע והן הדיוטות, שהטילו ספק כבד בנכונות השמועה ובצדק. ראשית, בשל אופן הפרסום כאמירה ללא כל מקור מגבה ושנית, היות וגם אם נמדד אות כלשהו בגלאי, הרי שיש לבצע אנליזה מפורטת אשר תבחן את המשמעות שלו – האם מדובר בגל הכבידה המבוקש או שמא מדובר במדידת רקע מגורמים שונים (למשל, קידוח באדמה) [2]. בתגובה לשמועה הנפוצה, צוות המחקר ב-LIGO לא אישש אך גם לא הכחיש את נכונות הטענות. ההתייחסות הרשמית שיצאה לתקשורת היא שהעניין בבדיקה ועל כן נאלצה התקשורת להמתין לממצאים נוספים. והנה, ב-11 בפברואר 2016, התכנסה מסיבת עיתונאים מטעם צוות LIGO במטרה לדון בתוצאות המדידה. בשורה התחתונה – גלי כבידה הצליחו להימדד! [3]
אז על מה כל המהומה? מה הם אותם גלי כבידה?
אם נביט אל השמיים, במיקום מספיק נקי מזיהום אור, זיהום אוויר ועננים, נוכל לראות את הכוכבים. כל כוכב אינו אלא כדור ענק של מימן וחומרים אחרים המוחזקים יחדיו על ידי כוחות הכבידה בין השכבות השונות. השמש שלנו היא כוכב (דיברנו על התכונות שלה כאן [4]) וכוכבים רבים בשמיים דומים לשמש שלנו, מבחינת מסה וגודל אופייניים. אי לכך, ישנם כוכבים שכל המסה שלהם מתרכזת בנפח קטן מאוד - נפח אופייני של כוכב לכת (כמו כדור הארץ) או אפילו פחות. אלו נקראים כוכבים קומפקטיים והדוגמאות המוכרות שלהם הן: ננסים לבנים [5], כוכבי-נייטרונים [6] וחורים-שחורים [7]. סביב גופים מאסיביים בחלל ובמיוחד סביב כוכבים קומפקטיים, שדה הכבידה מסוגל לעקם את מסלולם של קרני אור אשר ללא השפעת הכבידה נעו על קווים ישרים במרחב. כתוצאה מעיקום מסלול האור, גופים מאסיביים מתפקדים כמו עדשות ענקיות בחלל (עוד על עידוש כבידתי [8]).
עיקום האור הינו רק אפקט אחד מני רבים אשר מתרחשים בכל מקום ביקום בו שדה הכבידה חזק. אפקטים אלו אינם ניתנים להסבר על ידי המכניקה הקלאסית של ניוטון, אלא על ידי תאוריה מורחבת יותר הנקראת 'תורת היחסות הכללית'. תאוריה מדהימה זו מתייחסת אל הכבידה לא ככוח משיכה פשוט אלא כאל ביטוי של עקמומיות המרחב. כן כן, המסלולים מעוקמים כי המרחב עצמו עקום! נשמע מסובך? לא ממש.
דמיינו לרגע שכל היקום שלנו הוא דו-ממדי ושוכן על יריעת גומי. יקום ללא חומר מתאים ליריעה ישרה ומתוחה. אם נניח על היריעה הזו כוכב כלשהו כמו השמש, המרחב ישקע סביב המסה שהצבנו ולכן אם נאפשר לכוכב לכת כמו כדור הארץ לנוע בחופשיות, הוא יקיף את השמש במסלול העוקב אחרי העקמומיות שנוצרה ביריעה, כלומר – על פני מסלולים עקומים במרחב שהוא עצמו מעוקם. סרטון המדגים זאת יפה ניתן למצוא בקישור הבא [9].
כעת, במקום להציב על היריעה "כוכב רגיל" כמו השמש וכוכב לכת קל כמו כדור הארץ, נבחר להניח עליה שני כוכבים קומפקטיים, במרחק קטן אחד מהשני (מרחק שאינו גדול בהרבה יחסית לרדיוסים שלהם). אם נשחרר אותם ממצב זה, די ברור שהם יימשכו אחד לשני כבידתית, יקטינו את המרחק ביניהם תוך זמן קצר ויתנגשו. אך מה יקרה אם נעניק לכוכבים אלה מהירות במאונך לקו המחבר ביניהם? בעקבות המשיכה הכבידתית הגדולה, הכוכבים יתקרבו אחד לשני ובסופו של דבר יתנגשו, אלא שהפעם התהליך יהיה איטי יותר בעקבות הסיבוב שלהם סביב מרכז משותף.  הסיבוב יגרום לעקמומית שנוצרה במרחב להתפתח כהפרעה שתלך ותתפשט ממוקד האירוע החוצה ותיצור גל, שהיא הפרעה מחזורית במרחב ובזמן. גל זה מכונה גל כבידה. מקרים של מפגשים צמודים בין כוכבים קומפקטיים אכן מצופים להתרחש ביקום, למשל במערכת הכוכבים RX J0806.3+1527, כפי שממחיש הסרטון הבא [10]. לפיכך, גילוי של גלי הכבידה בפועל יהווה אישוש נוסף לתורת היחסות הכללית של איינשטיין ואף יאפשר לנו ללמוד עוד על מערכות זוגיות של כוכבים.
מתיאוריה בשמיים למדידות על פני הקרקע:
גל כבידה, כמו כל סוג אחר של גל, ניתן לתיאור מתמטי באמצעות הפרעה למצב שיווי משקל, המתפשטת מנקודה אחת לאחרת במרחב, תוך כדי התקדמות בזמן. כלומר, התווך שבו מתפשטים גלי הכבידה הוא שונה מהותית מזה המתאים לגלים אחרים. למשל, גלי קול מתפשטים כתנודות של האוויר, לכן אם נציב מד לחץ או מד צפיפות בנקודה כלשהי, נוכל לדעת את עוצמת גל הקול באותה נקודה בכל זמן. באופן דומה, גלים אלקטרומגנטיים (כמו האור הנראה לעין) הם תנודות בשדה החשמלי והמגנטי, לכן אם נציב אנטנה מתכתית בנקודה כלשהי במרחב, נוכל למדוד את עוצמת הגל באמצעות תנודות האלקטרונים בתוך אנטנה, בתגובה לתנודות בשדות. בניגוד לדוגמאות אלה ואחרות, גלי גרוויטציה הם תנודות של המרחב עצמו, כלומר המרחקים והזמנים בין כל נקודה לכל נקודה אחרת משתנים תוך כדי מעבר הגל.
אם כך, כיצד ניתן למדוד אותם בפועל?
בעולם קיימים מספר גלאים שתוכננו במיוחד לנסות ולגלות את גלי הכבידה החמקמקים. שני הגדולים שבהם נמצאים בארה"ב, בהנפורד שבמדינת וושינגטון ובליוינגסטון שבלואיזיאנה. שלושה גלאים נוספים נמצאים בגרמניה, איטליה ויפן. גלאי ה-LIGO האמריקניים כוללים כל אחד שתי מנהרות ניצבות זו לזו הנפגשות בקצה משותף. אורך כל מנהרה – 4 ק"מ. לאורך כל מנהרה, נמתח מקצה לקצה צינור מתכתי שקוטרו 1.2 מטר. הצינור אטום ושורר בו ואקום (הלחץ בתוכו נשמר על לא יותר מאחד חלקי טריליון הלחץ האטמוספרי). שני הצינורות נפגשים ומחוברים ביניהם בקצה המשותף של המנהרות ובנקודת החיבור שלהם מותקנים מכשיר לייזר, מראה מפצלת וגלאי אינטרפרומטר [11].
האינטרפרומטר עושה שימוש בהתאבכות (interference; מכאן שמו של המכשיר) של אור - תכונה המאפיינת את האור כגל (אלקטרומגנטי). מכשיר לייזר המותקן בקצה המשותף של שתי המנהרות משגר קרן לעבר מראה נטויה חצי שקופה הנמצאת מולו, אשר צידה הקרוב אליו מצופה בחומר הנקרא 'חומר דיאלקטרי'. המראה מחזירה כמחצית מעוצמת הקרן לכיוון הניצב ב-90 מעלות לכיוון הגעת הקרן, וכמחצית העוצמה מועברת דרכה וממשיכה בכיוון המקורי של הקרן. כיוון ההחזרה וכיוון המשך התנועה תואמים לכיווניהן של שתי המנהרות, וכך מתקבלות שתי קרניים, שכל אחת מהן נעה בתוך אחת המנהרות. אולם, קיים הבדל חשוב אחד בין שתיהן: הן הפוכות זו לזו בעקבות המעבר של אחת מהן דרך החומר הדיאלקטרי. כאשר קרן אור עוברת מתווך בעל מקדם שבירה נמוך או אפסי (כגון ואקום) לתווך דיאלקטרי, המופע שלה משתנה במחצית אורך גל [12]. המרחקים בין המראה החצי שקופה לבין מראות מחזירות בקצוות שני הצינורות הם שווים, עד כדי מידה של אורך גל של הקרן (מאות ננומטרים), כך ששתי הקרניים עוברות דרך השווה לכפולה שלמה של אורך הגל. הקרניים המוחזרות מהמראות בקצוות הצינורות נפגשות שוב במראה המפצלת והפעם מתאחדות לקרן הנעה בכיוון אחד לכיוון האינטרפרומטר. אם אין תנודה כלשהי באורך המנהרות, שתי הקרניים יצרו התאבכות הורסת והאינטרפרומטר לא יגלה אור.
אם גל כבידה תועה מגיע אל כדור הארץ בזמן תנועת הקרניים, תורת היחסות הכללית תנבא שגל זה יגרום לאחת המנהרות "להתארך" בשיעור מאוד קטן (סדר גודל של אלפית קוטרו של פרוטון) בעוד שהניצבת לה "תתכווץ" בשיעור דומה. במצב זה, הדרכים שיעשו שתי קרני האור במנהרות יהיו שונות באורכן וכאשר יתאחדו במראה המפצלת, הפרש המופע ביניהן יהיה שונה ממחצית אורך גל. במצב זה, שתי הקרניים יצרו התאבכות חלקית, שאינה "בונה" ואינה "הורסת" אך היא גורמת להופעת אור במידה כלשהי. אור זה מתגלה על ידי גלאי פוטונים באינטרפרומטר והוא המעיד על הופעת גלי הכבידה.
כמובן שאורך המנהרות עלול להשתנות רגעית בשל סיבות מקומיות רבות: תנודות סיסמיות, גלי קול בעוצמה גבוהה מספיק ואפילו פעילויות הנעשות בקרבת מקום (כגון נסיעת כלי רכב השולחת תנודות קלות דרך הקרקע). לצורך זה, אזור המנהרות מנוטר באופן קבוע על ידי גלאים סיסמיים ומבודד ככל הניתן מרעש חיצוני. לשם כך גם רוקנו מסלולי התנועה של הקרניים מאוויר, שתנועות קלות ביותר או שינויי טמפרטורה שלו עלולים להשפיע על מסלול קרני הלייזר בתוכם. כמו כן, משקללים קריאות שנמדדו במקביל בכל הגלאים בעולם כדי לנקות את ה"רעשים" הנ"ל ולזהות תופעות שהתרחשו בזמנים שווים בכולם.
אז מצאנו גלי כבידה וקיבלנו אישוש נוסף לתיאוריית היחסות הכללית. איך זה ישפיע על החיים שלנו?
קודם הזכרנו תהליך אשר מסוגל לייצר גלי גרוויטציה – הסיבוב של שני כוכבים קומפקטיים בקרבה אחד לשני. השלב הבא לאחר אימות הגילוי הוא שימוש בו לצורך איתור המקור אשר יצר אותו ואף יותר מכך – למידה על המאפיינים הפיזיקליים של המקור. אם המקור הוא אכן זוג קומפקטי צמוד, נרצה כעת לדעת מה סוג הכוכבים המסתובבים – האם אלו שני כוכבי-נייטרונים, שני חורים-שחורים או אולי כוכב-נייטרונים וחור-שחור. גלי כבידה יכולים ללמד אותנו לא רק על מערכות אסטרופיזיקליות ממוקדות, אלא גם על היקום כמכלול. על פי תאוריית המפץ הגדול, גלי כבידה השתחררו כבר ברגעים הראשונים לאחר "המפץ", עוד טרם עברה שניה אחת בחיי היקום [13]. מדידה מדויקת של גלי כבידה כאלה יכולה ללמד אותנו על התהליכים שהתרחשו באותם רגעים ראשונים ואף לספק לנו תחזית לגבי עתיד היקום כולו.
מה הלאה?
תורת היחסות הכללית אינה תאוריה קוונטית ולא דנה במבנה החלקיקי של החומר. כתוצאה מכך, במצבים קיצוניים בחלל, כמו באזור הסינגולרי של חור שחור או באירוע המפץ הגדול, מתבקש תיאור קוונטי היות והחומר המדובר נמצא בצפיפות גבוהה אשר בה לא ניתן להתעלם מאפקטים חלקיקיים [14]. כדי לתאר כבידה באופן קוונטי, נדרש חלקיק המעביר את כוח הכבידה (כמו שהפוטון מעביר את הכוח האלקטרומגנטי). חלקיק זה (שטרם התגלה) נקרא גרוויטון [15].
גלי כבידה יכולים להיות מתוארים כמצב קוהרנטי של גרוויטונים, כלומר, גרוויטונים במצב מאוד ספציפי שמתואר בצורה קרובה לתיאור חלקיק לא קוונטי (באופן דומה, אור ניתן לתיאור כמצב קוהרנטי של פוטונים) [16]. אך הגרוויטון הוא חלקיק מאוד בעייתי; ראשית, מאוד קשה לגלות אותו. אם נבנה גלאי גרוויטונים במסה כמו זו של צדק וניתן לו להקיף מקרוב כוכב-נייטרונים, הוא יגלה (בהנחה שיעילותו היא 100%) גרוויטון אחד כל 10 שנים לערך (פתחו שעונים כבר עכשיו!). שנית, התכונות הנדרשות מגרוויטון הן כאלה שהמודל הסטנדרטי של תורת החלקיקים – לא יכול לכלול חלקיק שכזה.
לעומת זאת בתאוריית המיתרים, שהיא תאוריה קוונטית של כבידה, הגרוויטון מופיע באופן טבעי [17]. תורה זו מתארת חלקיקים לא כגופים נקודתיים, כי אם כמיתרים רוטטים, כאשר תדירות הרטט מבדילה בין חלקיק לחלקיק. בדיקה של החלקיקים המופיעים בתורה זו, מראה שלאחד מהם יש את התכונות הנדרשות מגרוויטון. אך כאמור, אנו ככל הנראה רחוקים עדיין מגילוי שכזה (עוד על תאוריית המיתרים, בעתיד).
גלי כבידה כבר אינם מדע בדיוני או ביטויים מתמטיים חסרי אחיזה במציאות; הם נמדדו ובכך סיפקו אישוש מוחץ לתורת היחסות הכללית, 100 שנים בדיוק לאחר ניסוחה הראשוני. בנימה אישית, אנו מלאי ציפייה שגילוי זה הוא רק קצה הקרחון לקראת גילוים מדעיים מרעישים שעוד צפויים לנו בזמן הקרוב. עקבו אחרינו והישארו מעודכנים!

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב