ידענים: איינשטיין | חורים שחורים | לווינים | מסתורי החלל | משימות חלל | פיסיקה קלאסית

מאת 7 ביוני 2010 34 תגובות

שלושה רכבי חלל, מופרדים בחמישה מיליון קילומטר זה מזה יירו קרני לייזר זה אל זה על פני החלל הריק במטרה להוכיח האם תורה שהוצעה על ידי אלברט אינשטיין היא נכונה

מסלולה של מערכת ליזה סביב השמש. איור: NASA/JPL

מסלולה של מערכת ליזה סביב השמש. איור: NASA/JPL

הטלגראף הבריטי יצא בהודעה לפני כמה ימים: "שלושה רכבי חלל, מופרדים בחמישה מיליון קילומטר זה מזה יירו קרני לייזר זה אל זה על פני החלל הריק במטרה להוכיח האם תורה שהוצעה על ידי אלברט אינשטיין היא נכונה". לרגע הקורא עשוי לחשוב שעומדת לפרוץ מלחמת כוכבים חדשה. אולם הצצה באתר של סוכנות החלל האירופית מיד מפיגה חשש זה.

סוכנות החלל האירופאית אכן פרסמה הודעה על פרויקט בשם LISA . לא מדובר בבחורה יפהפה בעלת שם זה, אלא בשלושה גלאים מסונכרנים הנושאים את ראשי התיבות של "אנטנת חלל באמצעות אינטרפרומטרית לייזר". ליסה היא משימה פרי שיתוף הפעולה בין NASA לסוכנות החלל האירופאית (ESA/NASA). NASA תספק את שלושת רכבי החלל, את רכב השיגור, את האופרציות, את השימוש ברשת החלל העמוק ואלמנטים של המטע"ד. ואילו ESA תהיה אחראית למטע"ד כולו ולשלושת יחידות ההנעה.

מטרתה של ליסה הוא מצוד אחרי גלי הכבידה של אינשטיין. היא מורכבת משלושה גלאים שישייטו בקודקודים של מבנה של משולש שווה צלעות בעודם מקיפים את השמש. בכל גלאי מבין שלושת הגלאים יהיו מסות צפות. כל גלאי ירה קרני לייזר לגלאי האחר. קרני לייזר אלה ישמשו כדי למדוד שינויים קלים במרחקים בין כל מסה, שינויים הנגרמים עקב גלי כבידה חלשים. משימה זו תאפשר לפיסיקאים להוכיח את קיומם של גלי הכבידה, החלק האחרון בתורת היחסות הכללית שעדיין לא הוכח כנכון.

גלי כבידה

תורת היחסות הכללית של אינשטיין מנבאת שתנועות של מסות יוצרות ויברציות הנעות במרחב-זמן במהירות האור. גלי כבידה אלו נוצרים למכביר ביקום והם מתפשטים בחלל כולו. תורת היחסות של אינשטיין מנבאת, שבעת ההתנגשות בין עצמים גדולים, כמו חורים שחורים מאסיביים, אדוות אלה מתפשטות במרחב-זמן.

מדידת גלים אלה תוסיף נדבך חשוב ודרך חדשה לחקור את שמתרחש ביקום: במקום לחקור את ההתפשטות והחלקיקים והשדות הקונבנציונאליים במרחב-זמן, כפי שעשו מדענים עד כה, ליסה תחוש את האדוות והויברציות במרקם המרחב-זמן עצמו. חקירת צורת אנרגיה חדשה זו תעביר מידע עשיר וחדש אודות ההתנהגות, המבנה וגם ההיסטוריה של היקום. כמובן שמחקר זה יפתח אופקים חדשים עבור הפיסיקה עצמה. ההנחה היא שכאשר נוכל למדוד את גלי הכבידה ולצפות בהם באמצעי מדידה, הם יספקו כלי חדש, ייחודי ורב-עוצמה לחקר היקום. יהיה זה אמצעי מחקר למצבי קיצון המתרחשים ביקום, החל מהמפץ הגדול ועד לחורים שחורים.

יתכן כי גלי הכבידה אף יוכלו לסייע במענה על שאלות עמוקות ומטרידות העולות מהשקפתו של אינשטיין אודות היקום: מה מניע את המפץ הגדול? מה קורה למרחב ולזמן בתוככי החורים השחורים? ושאלה מטרידה במיוחד בשנים האחרונות, מהי אותה אנרגיה אפלה מסתורית המאיצה את התפשטות היקום?

למה חשוב למדוד גלי כבידה בשמים ולא בארץ

משימת ליסה תשאף לגלות, למדוד וגם לצפות בגלי הכבידה ממקורות אסטרונומיים כמו חורים שחורים מאסיביים ובייחוד מערכות כוכבים בינאריים גלקטיים בטווח תדירויות מאוד נמוכות. ליסה תהיה מורכבת משלושה רכבי חלל שיפעלו כאינטרפרומטר ענק בשמים בעל אורך זרוע של חמישה מיליון קילומטר. המישור שיתפרס על ידי שלושת רכבי החלל – משולש שווה צלעות – יהיה מורכב מאנטנת גלי כבידה מאוד גדולה. ולכן ליסה תהיה הגלאי הגדול ביותר שאי פעם נבנה.

לא ניתן להשיג גלאי ואנטנת גלי כבידה על כדור הארץ בעלי מרחק של חמישה מיליון קילומטר… ולכן טווח התדירויות הנמוכות, כלומר אורכי הגל הארוכים, של ליסה הוא בלתי נגיש עבור אינטרפרומטרים שממוקמים על הקרקע. אינטרפרומטרים על הקרקע הם מוגבלים באורך מבחינה פיסיקאלית עד לשני קילומטרים. דבר זה מגביל את טווח הכיסוי שלהם לתדירויות שכוללות אירועים כמו, קריסות ליבות של סופר נובות והתמזגויות של כוכבי ניטרונים בינאריים. בנוסף, על הקרקע בכדור הארץ ישנו רעש כבידתי מקומי, שנובע מאפקטים אטמוספריים ומפעילות סיסמית. בפס התדירויות הנמוך של ליסה, היא תגלה סיגנלים ממקורות אסטרונומיים רבים שהם בלתי נגישים לגלאים על כדור הארץ.

כיצד פועלת ליסה

ליסה מכילה שני אלמנטים לגילוי ומדידת גלי הכבידה:

  1. מסות צפות ללא הפרעה בכל אחד משלושת רכבי החלל: ההפרעות למסות צריכות להיות מספיק קטנות. אחרת התנועות המתקבלות תהיינה יותר גדולות מהשינויים הנראים בגלי הכבידה שאותם רוצים לגלות. המסות מוגנות מהפרעות על ידי זה שהן בנפילה חופשית, כאשר יש מכשור מסביבן שעוקב כל הזמן אחר הנפילה החופשית שלהן. ישנה מערכת שמונעת מרכב החלל מלהפעיל כוחות והפרעות על המסות בנפילה חופשית.
  2. מערכת לייזר למדידת המרחק: מערכת מדידת המרחק היא מערכת לייזר אינטרפרומטרית. בקצה של כל זרוע-רכב חלל מבין השלושה פועל באופן "משיב" לייזר. רכב חלל אחד יירה קרן לייזר לרכב השני המצוי במרחק ממנו. הלייזר ברכב החלל השני המרוחק יהיה נעול פאזה על הקרן הנכנסת מהרכב הראשון. רכב החלל השני ישיב לרכב החלל הראשון קרן לייזר בעוצמה רבה ובאותה הפאזה. כאשר קרן זו חוזרת לרכב החלל המקורי, היא פוגעת בלייזר המקומי. וכך שלושת רכבי החלל יחליפו ביניהם קרני לייזר. בסופו של דבר אחרי כל סיבוב משווים את פגיעות הלייזרים ברכבי החלל השונים. קרני לייזר אלה ישמשו כדי למדוד שינויים במרחקים בין כל מסה צפה, שינויים הנגרמים עקב גלי כבידה חלשים.

קונסטלציית שלושת רכבי החלל תסובב את השמש במסלול של שנה. במהלך סיבוב זה ישנה הסחת דופלר של גלי הכבידה הנצפים כתוצאה מהתנועה המסלולית. בנוסף, תבנית האנטנה הלא איזוטרופית של הגלאים גורמת לאפנון אמפליטודה של גלי הכבידה. זה מאפשר קביעה של כיוון המקור ואימות של כמה מהמאפיינים שלו. למשל, ניתן להסיק את כיוון המקור והאם הסיגנל הוא מחזורי ומהו יחס הסיגנל לרעש, האם הוא גדול. ניתן יהיה לקבוע את המיקום המדויק ממנו מגיע גל הכבידה בדיוק של עד דקת קשת בהתאם לעוצמת המקור.

המדע שעומד מאחורי ליסה סוכם ב-2007 בהערכה של NASA בתוכניתה "התוכנית של NASA מעבר לאינשטיין: ארכיטקטורה ליישום – ספטמבר 2007". נכתב בתוכנית: "מנימוקים מדעיים טהורים לגמרי ליסה היא המשימה המבטיחה ביותר והכי פחות מסוכנת מבחינה מדעית. אפילו תוך הנחות פסימיסטיות אודות אחוזי האירועים, עליה לספק בדיקות נחרצות ונקיות אודות תורת היחסות הכללית בתחום הדינמי של השדה החזק ולהיות מסוגלת לבצע מיפויים מפורטים של המרחב זמן בסמוך לחורים שחורים. לכן, הועדה מעניקה לליסה את הדירוג המדעי הגבוה ביותר".

ישנם חמישה סוגי מקורות לגלי כבידה שאותם מצפים לגלות באמצעות ליסה בפס התדירות בו לליסה תהיה רגישות שימושית, מ-0.1 ועד למאה מגה הרץ. אלה הם: חורים שחורים מאסיביים מתאחדים וחורים שחורים מאסיביים שאינם מסתובבים (בגדלים של 103 עד 107 מסות שמש), גופים קומפקטיים בעלי מסה בגודל של כוכב. אלה מסתובבים אל תוך חורים שחורים סופר-מאסיביים בגרעינים גלקטיים, מערכות בינאריות של עצמים קומפקטיים ואולי התפרצויות רקע ממקורות קוסמולוגיים ואו אסטרופיסיקאליים.

המדענים כבר התחילו לבנות את המכשירים עבור ליסה, אבל מערכת ליסה לא תשוגר לפני 2020.

34 תגובות ל “הגלאי הגדול של NASA וסוכנות החלל האירופאית להוכחת גלי הכבידה של אינשטיין”

  1. סבדרמיש יהודה

    מסכים עם א. בן נר מתגובה 20 שכדאי שיהיו ארבעה גלאים ולא שלושה. בארבעה גלאים יווצרו ארבעה משולשים ולא אחד. התופעה תמדד בארבעה משולשים. יקל לדייק למקומו במרחב שלמקור הגלים.העלות הנוספת היא עוד שליש ותתקבל כמות מידע של פי ארבעה עם אפשרות לאימות התופעה. שימו לב שגם אם יש קריאה אקראית באחד הגלאים שלא נובעת מגל גרביטציה תמיד יהיה משולש גלאים (ממול הגלאי הסוטה) שיוכיח שזו קריאה סתמית כי קריאה לא תופיע אצלו.
    אז האנונימי מתגובה 21 יכול לצחוק ולהעליב כמה שהוא רוצה אבל הוא העלוב.
    שבוע טוב
    סבדרמיש יהודה

  2. צבי

    א. זהו ניבוי ברור של תורת היחסות.

    ב. שמע, ההנחה כי קיימים דברים כאלו גלי גרוויטציה מבוססת על תורת היחסות והיא מנבאת כאמור שמהירותם תהה בדיוק מהירות האור – אם יתגלה שהם קיימים אך מהירותם שונה ממהירות האור זה יהיה מפתיע ומוזר מאד – למעשה זה יגיד כי תורת היחסות שגויה ותיאוריה אחרת היא הנכונה ובמקרה יוצרת בדיוק את אותה תופעה שמנבאת תורת היחסות. אינני יודע לומר לך עד כמה זה אפשרי כיוון שלא קיימת תיאוריה שמסבירה כל מה שתורת היחסות מסבירה ובכל זאת מנבאת קרינה גרוויטציונית במהירות שונה ממהירות האור – אם הייתי מסוגל לחשוב על תיאוריה כזו הייתי שולח אותה לירחון מדעי חשוב לפני שהייתי מציג אותה בפניך 🙂 .

  3. א.בן נר

    לצבי
    א]. האם תחזית מהירות גלי הגרוויטציה כמהירות האור היא מסקנה של תורת היחסות או הנחה ?
    ב]. האם לא אפשרי כי התחזית לגבי עצם קיומם של גלי הגרוויטציה תתממש אך מהירותם, כשתימדד,
    תהיה שונה ממהירות האור ?

    תשובתך (מס'-27) מנוסחת כתכתיב אך לצערי באופן שלא גרם לי להבין יותר טוב את הרעיון.
    אני מודה שגם פיזיקאים אחרים אתם שוחחתי בנושא,(ביניהם גם בני) ניסחו את תשובתם בדומה לך,
    בהסתמכות מוחלטת על תורת היחסות אך בהתעלמות מהאפשרות כי תוצאות המדידה עשויות להיות
    שונות.

  4. אהוד

    מיכאל וצבי

    תודה רבה על התשובות המפורטות!

  5. א.בן נר

    לצבי
    בתגובתך מס'-6, שללת "מני ובי" את הצעתו של דניאל כי אפשר שמהירות
    גלי הגרוויטציה גדולה ממהירות האור.
    אני מציע לא לנקוט עמדה כה פסקנית לגבי תופעה שטרם נמדדה.
    אם וכאשר ימדדו גלי גרוויטציה, תימדד גם מהירותם. התוצאה
    עשויה להיות מפתיעה, כמו תגליות רבות בתולדות המדע.
    האם גלי גרוויטציה הנם גלים אלקטרו-מגנטיים ?
    האם התשובה לשאלה זו נהירה ומוחלטת למדע ?
    אולי רק מדידת מהירותם תעזור במתן התשובה לשאלה זו ?
    הלא אם גלי הגרוויטציה הם לא גלים המתפשטים במרחב כמו גלים
    א.מ. אלא, גלים של המרחב עצמו, מאין גלי צפיפות של המרחב,
    (באנאלוגיה פשטנית לגלי קול בתווך גזי), אזי אין מניעה תאורטית כי
    מהירותם תעלה על מהירות האור.
    זאת אולי אף הסיבה לקושי הטכני בגילויים ומדידתם.
    אשמח לקרוא תגובות לדברי. תודה

  6. צבי

    מר אנונימי,

    פסקנותי נובעת פשוט מהעובדה שע"פ תורת היחסות הכללית אין ספק כי גלים גרוויטציוניים יתפשטו במהירות האור בדיוק – מאחר ותורת היחסות היא המקור לרעיון הגלים הגרוויטציוניים ואם היא שוגה הרי שאין כל סיבה לחשוב שיש גלים כאלה, נכון גם לחשוב שאם הם קיימים הם כנראה יתנהגו לפי התיאוריה המנבאת אותם.

    לשאר שאלותיך:
    האם גלי גרוויטציה הנם גלים אלקטרו-מגנטיים ? – לא, הם גלי כבידה כלומר אין הם הפרעות בשדה האלקטרומגנטי אלא במשהו אחר (המטריקה).

    האם התשובה לשאלה זו נהירה ומוחלטת למדע ? – כן!

    אולי רק מדידת מהירותם תעזור במתן התשובה לשאלה זו ? – לא רלוונטי!

    על המשך דבריך קשה לי מאד להגיב כי הם מעידים על אי הבנה בסיסית לגבי מהם גלי גרביטציה – הבנה שנובעת מחוסר ידע שלך ולא מחוסר ידע בעולם המדעי – גלים אלו הם ניבוי תיאורטי ולכן תכונותיהם (במידה ואכן קיימים) ידועות – בכלל זה המהירות (מהירות האור), אופי ההפרעה (הפרעה במטריקה) וכיוב'

  7. משתמש אנונימי (לא מזוהה)

    לכל ידידי הידענים
    בד"כ אני מזדהה בשמי א.בן-נר כשאני מגיב מהמחשב שלי.
    את התגובה הקודמת (מס'-25) כתבתי מהמחשב בלובי הכניסה של בניין שנקר
    (פיסיקה) באונ' ת"א. והנה ראיתי שמחשב זה מזדהה בשם :
    "מאת משתמש אנונימי(לא מזוהה)". אפשר אם כן כי בשם זה מגיבים מספר רב
    של "ידענים", מהם כאלו ומהם אחרים. נא להתייחס בהתאם בהמשך. א.בן-נר.

הוספת תגובה

  • (will not be published)