איינשטיין צדק

גלי כבידה זוהו לראשונה, מה שפתח עידן חדש של פיזיקה.

מרים קרמר

מדענים מצאו לראשונה אדוות במארג המרחב והזמן, המאששות את אחת התחזיות המוזרות, אך האלגנטיות ביותר, של אלברט איינשטיין. התגלית הזו, שהוכרזה ביום חמישי, מגיעה 100 שנים לאחר שאיינשטיין הציג לראשונה את התיאוריה של גלי כבידה. זה יפתח עידן חדש של מחקר וגילוי עבור פיזיקאים ברחבי העולם. חוקרים העובדים עם מצפה האינטרפרומטר הלייזר ששודרג לאחרונה (LIGO) - קבוצה של שני מצפה כוכבים זהים הממוקמים בוושינגטון ולואיזיאנה - חשפו שהם עשו ישירות ראה את האדוות במרחב-זמן, הידועים כגלי כבידה, שנוצרו על ידי שני חורים שחורים שהתנגשו לפני כ-1.3 מיליארד שנים. כל חור שחור היה פי 30 ממסת השמש, אמרו חוקרים. "זיהינו גלי כבידה. עשינו את זה", אמר דייוויד רייצה מ-Caltech, מנכ"ל LIGO, במסיבת עיתונאים בוושינגטון הבירה. הגלים זוהו ב-14 בספטמבר 2015, אמרו מדענים מאז, מדענים מעריכים את הממצאים שלהם כדי לוודא שהם מדויקים." ראו חלל זמן מעוות כאשר הוא רגוע מאוד. מעולם לא ראינו את האוקיינוס ​​מתערער בסערה עם גלים מתנפצים", אמר קיפ ת'ורן, המייסד השותף של LIGO. "כל זה השתנה ב-14 בספטמבר 2015".

גלי כבידה נוצרים כאשר שני חורים שחורים, שני כוכבי נויטרונים או חור שחור וכוכב נויטרונים מתנגשים, ומעוותים את מרקם המרחב-זמן סביבם בתהליך. האדוות הללו מתפשטות אל היקום, מעוותות את המרחב-זמן, סביב עצמים אחרים, כולל כדור הארץ. התגלית החדשה הזו גם מאשרת שחורים שחורים באמת קיימים. זה אולי נשמע מוזר, אבל עד עכשיו, למדענים היו רק עדויות נסיבתיות לקיומם של העצמים המאסיביים. החוקרים ראו את הפליטות הבהירות סביב חורים שחורים במשך שנים, ובכל זאת זהו האישור הישיר הראשון של העצמים המסתוריים. "כשנמצא גלי כבידה, זה ישנה הכל כי מציאת גלי כבידה לא רק יגלו משהו, אלא יפתח דלת למיליוני תגליות חדשות", אמר מדען LIGO Szabolcs Marka לפני ההכרזה.
המדענים פרסמו את המחקר הראשון על התגלית שלהם ביום חמישי בכתב העת עם ביקורת עמיתיםמכתבי סקירה פיזית. סך של 1,004 אנשים מלמעלה מ-90 מוסדות ב-15 מדינות חלקו קרדיט על המחקר. התגלית החדשה גם מאששת את אחת מהתחזיות המוזרות ביותר של איינשטיין שהועלתה כחלק מתורת היחסות הכללית שלו לפני 100 שנה. תורת היחסות הכללית משלבת שתי דרכים שונות להבנה כיצד פועל היקום. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין הראתה כיצד מסה ואנרגיה קשורות, בעוד שחוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון מסביר כיצד עצמים בחלל נמשכים זה לזה. לאחר שאיינשטיין פיתח את תורת היחסות הכללית, הוא טען שגלי כבידה צריכים להתקיים כאשר שני עצמים מאסיביים ביותר מתנגשים, מכיוון שהמרחב-זמן יכול להתעוות בהקשר של התיאוריה המאוחדת החדשה.

עם זאת, זה לא המבחן האחרון של תורת היחסות הכללית. מדענים עדיין לא בטוחים כיצד ליישב את תורת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית, וייתכן שהתאוריה של איינשטיין מתפרקת בדרכים אחרות שטרם נמצאו. דמיינו את המרחב-זמן כרשת מתוחה ומתוחה כמו הרשת בטרמפולינה. כאשר אתה מציב עצמים מסיביים כמו כוכבים, חורים שחורים וכוכבי לכת על המרקם הזה של מרחב-זמן, זה מותח ומעוות אותו. העיוות הזה יוצר את הכוח שאנו מרגישים ככבידה. "אנחנו לא חושבים על החלל כעל דבר, כעל חומר, אבל כל מה שקורה ביקום מתרחש במסגרת הזו שאנו מכנים מרחב-זמן", האסטרופיזיקאית קייטי מאק, שאינו קשור ל-LIGO, אמר בראיון. "אתה יכול לדמיין את זה כדבר שניתן לעצב. זה יכול להימתח; זה יכול לסחוט; גלים יכולים להתפשט דרכו. וזה דבר מאוד מוזר לחשוב עליו, אבל כל מה שקורה ביקום - קצת אור שנוסע ממקום אחד למקום אחר, או מסה נעה מסביב - זה קורה במרחב-זמן, וזה משפיע על המרחב-זמן וזה הוויה. מושפע ממרחב-זמן."

ניתן לשנות את המרחב-זמן סביב עצמים שונים על ידי עצמים קוסמיים מסיביים אחרים בקרבת מקום - בדיוק כפי שהשמש משפיעה על מסלולי כוכבי הלכת במערכת השמש.
כאשר חורים שחורים או כוכבי נויטרונים מתנגשים, הם יוצרים אדוות במרחב-זמן, הנשלחות אל היקום. מודלים של איך גלים אלה עשויים להיראות מראים אותם מתנהגים בדומה לגלי קול, מתנודדים מעלה ומטה, יוצרים עמקים ופסגות. ככל ששני העצמים המתנגשים מתקרבים זה לזה, הפסגות והעמקים נעשים גבוהים יותר ויותר, כמו גם קרובים יותר זה לזה. תנועה זו יוצרת בסופו של דבר את מה שמכונה "ציוץ", שנראה כמו פיצוץ בתדר גבוה כאשר שני העצמים מגיעים לרגע שבו הם מתמזגים, אמר מאק. כמה מדענים המירו את "צורות הגל" הללו לצליל ממשי כדי להדגים, ובציפייה להכרזה של יום חמישי,חלקם אפילו פרסמו סרטוניםעל עצמם מנסים לחקות ציוץ.

למרות שאדוות אלו נוצרות על ידי כמה מההתנגשויות הקיצוניות ביותר ביקום, ניתן למדוד אותן רק עם המכשור הרגיש ביותר. המחקרים הראשונים שבדקו את ההיתכנות של זיהוי גלי כבידה עם משהו כמו LIGO פורסמו בשנות ה-70, והמכשיר היהממומן על ידי הקרן הלאומית למדע ב-1979.כמה אנשים חשבו שקשה מדי לזהות את הגלים האלה, שהרגישות הדרושה לזיהוי הגלים אינה אפשרית עם מכשירים על פני כדור הארץ. היו גם כמה אזעקות שווא. בשנת 2014, מדענים שעבדו עם מכשיר אחר בשם BICEP2 הכריזו על מה שהם חשבו שהואגילוי של גלי כבידה ראשוניים- אדוות במרקם המרחב-זמן שנוצרו כאשר המפץ הגדול התרחש. לאחר ניתוח נוסף, התברר מאוחר יותר שהאות היה למעשה רק אבק המתחזה לחתימת גל כבידה, מה שהפך את התקווה שמדענים מצאו את הרמז הישיר הראשון של האדוות.

גלאי ה-LIGO בלואיזיאנה ובוושינגטון נראים מלמעלה כמו שני "L" ענקיים. כאשר משתמשים בגלאי התאומים יחד, הם יכולים לראות שינויים זעירים במרחב-זמן. כל זרוע של ה-L היא באורך של 4 ק"מ, 2.5 מיילים, ויש לה לייזר חזק שעובר דרכה. ברגע שאור הלייזר מגיע לכל קצה של זרוע, מראה מקפיצה אותה בחזרה לעבר העיקול בגלאי. מכיוון ששני חצאי הלייזרים הם בדיוק באותו אורך וכל אחד נע במהירות האור, הם צריכים לחזור לעיקול באותו זמן, אולם אם עובר גל כבידה, הזרועות לא יתאימו. , כלומר האור לא יגיע לעיקול בגלאי בדיוק באותו רגע. "אם גל כבידה היה מעט (בערך 1/1000 קוטר של פרוטון) למתוח זרוע אחת דחסו את השני, שתי אלומות האור כבר לא יגרעו לחלוטין אחת מהשנייה, מה שיניבו דפוסי אור במוצא הגלאי", אומר LIGO באתר האינטרנט שלה. מדענים זקוקים לשני גלאים על מנת להיות בטוחים שכל האות שהם רואים נגרם למעשה על ידי גל כבידה אם שני הגלאים רואים את הגל ועומדים זה בזה, אז יש סיכוי גבוה יותר שזהו אות אמיתי לעומת חלק אחד בלבד. שפע במערכת שני המכשירים גם מאפשרים לחוקרים לקבל תחושה כללית מהיכן הגיע האות של גל הכבידה מלכתחילה.

LIGO עובד כי מהירות האור היא קבועה להפליא, אמר מאק. "הדבר המרתק - זה כמעט נותן לך עור אווז - הוא שהסיבה שאתה יכול למדוד את החומר הזה היא שמהירות האור כל כך קבועה שהיא לא יכולה להשתנות אפילו כשהחלל -הזמן נמתח," הוסיף מאק. "לאור לא אכפת שהמרחב-זמן התעוות. לאור לא אכפת שהמרחק ארוך יותר. זה עדיין יעבור באותה מהירות, ולכן ייקח יותר זמן להגיע לסוף", אמרה. שני הגלאים - שנחנכו ב-1999 - היו מקוונים מ-2002 עד 2010, אך מאז סיום הריצה ההיא, המכשיר נסגר בגלל העיצוב המחודש, מה שהפך אותו בסופו של דבר לרגיש לפחות פי שלושה מהאיטרציה הראשונה.
התגלית הגיעה כאשר ה-LIGO המשודרג עבר כיול הנדסי, לפני ההרצה המדעית הראשונה שלו מאז 2010.

על ידי זיהוי גלי כבידה, מדענים גם "יגלו דרך להקשיב לזעקת המוות של כוכבים, כוכבי נויטרונים, חורים שחורים, מה שלא יכולנו לשמוע קודם לכן", אמר מרקה. "כשנצפה בהם [גלי כבידה] בקביעות למעשה להתבונן בדברים שאינם זמינים באופן ספציפי בכל אמצעי אחר. זה כמו איך שינתה רנטגן את הרפואה", הוסיף. מדענים יוכלו כעת ללמוד יותר על החורים השחורים והכוכבים ששלחו את גלי הכבידה. הגלים נושאים איתם מידע על איך נראו החפצים שיצרו אותם. מכיוון שמדענים דגלו איך יכול להיראות אות מאחד הגלים, יש להם תחושה אילו סוגי אדוות תיצור התנגשות קוסמית. על ידי חשיפת האדוות הללו ביקום, זה גם יכול להגיד לנו משהו על כמה חורים שחורים יש שם בחוץ, ובמקביל גם מלמדים מדענים יותר על איך גלקסיות גדלות, עוזרים לחדד את ההבנה שלנו לגבי מקומנו בחלל.

התגלית מסמנת גם שינוי באופן שבו פיזיקאים חוקרים את היקום. במקום רק לצפות בקוסמוס באורכי גל גלויים, אינפרא אדום ואולטרה סגול של אור, על ידי חקירת גלי כבידה, למדענים תהיה דרך חדשה לחקור את היקום אחר מידע. "תאר לעצמך שיש לך את כל החושים שלך," אמר מרקה. "אבל אתה לא יכול לשמוע, וביום הראשון שאתה זוכה לשמוע, אתה מקבל חיים חדשים. תארו לעצמכם כיצד חייכם ישתנו אם תוכלו באמת להתבונן, לחוש את הסביבה שלכם בצורה שונה מאוד. זה מה שאנו מרוויחים למעשה עם גלי כבידה." LIGO עצמו עדיין לא הגיע למלוא הפוטנציאל שלו, והוא אמור להפוך לרגיש פי שלושה ככל שהוא ממשיך לחפש עוד גלי כבידה. "זו רק ההתחלה, זה הראשון מבין רבים שיבואו", אמרה מדענית LIGO גבריאלה גונזלס. "עכשיו, כשיש לנו גלאים שמסוגלים לזהות את המערכות האלה, עכשיו כשאנחנו יודעים שחורים שחורים בינאריים נמצאים בחוץ, נתחיל להקשיב ליקום."