האם יקום מתקן ישראלי לגילוי גלי כבידה?

בועידת ספייסטק שתתקיים ב-22 במאי באקספו ת”א יוכרז על יוזמה להקמת מאגד LIGO ישראלי (קונסורציום) בשיתוף פעולה אזורי

 

מאת: פרופסור אסף פאר מאוניברסיטת בר אילן, ד”ר לביא סיגמן וליאור הרמן מקרן TYPE5 VC

בפברואר 2016 , עשו מדענים במצפה גלי הכבידה בארצות הברית היסטוריה באמצעות אינטרפרומטר LIGO  כאשר הכריזו על גילוי ראשון של גלי כבידה. גלי כבידה הם שונים מכל סיגנל אחר שאי פעם נקלט. בעוד שכל שאר האותות הם או פוטונים (באורכי גל שונים) או חלקיקים (קרניים קוסמיות או ניטרינים), לגלי הכבידה יש מהות אחרת לחלוטין.  לפי תורת היחסות של איינשטיין, היקום הוא לא ״קשיח״ (בדומה ללוח שעליו מציירים דברים) אלא גמיש – בדומה ליריעת גומי, אשר ניתן למתוח ולכווץ אותו. גלי הכבידה הם אדוות זעירות במרקם היקום, שנגרמות על ידי תאוצה של גופים מאסיביים, כגון מיזוגים של חורים שחורים או כוכבי ניטרונים. הם נובאו לראשונה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין לפני יותר ממאה שנה, ואולם לקח כמאה שנה עד שהטכנולוגיה לגילוי אותן אדוות זעירות הבשילה.

המתקנים של LIGO ממוקמים בהנפורד שבמדינת וושינגטון ובליוינגסטון שבמדינת לואיזיאנה. בכל אחד מהאתרים נבנתה גירסה מודרנית של איטרפרומטר מייקלסון. כל אינטרפרומטר כזה מורכב משני צינורות בטון המחוברים בנקודת הבסיס ומרכיבים את צורת האות L. אורך כל צינור 4 ק”מ. בתוך הצינורות עוברות שתי קרני לייזר חזקות דרך סדרה של מראות. הללו משמשות למדידת הפרש האורכים בין שתי הזרועות בדייקנות קיצונית. כאשר גלי הכבידה עוברים דרך הגלאים, הם מעוותים את המרחב וגורמים לשינוי אורך הצינורות במרחקים זעירים ביותר (כלומר ברמה התת-אטומית). ואולם, השילוב של הלייזר עם המערכת האופטית המשוכללת מאפשר להבחין גם בשינויי האורך הקלים ביותר- מסדר גודל של 1 ל- 10 בחזקת 22 (שקול למדידת המרחק מתל אביב לאיסטנבול בדיוק של גודל של פרוטון בודד). גילוי גלי הכבידה זיכה את מובילי הפרויקט, הפרופסורים ריינר וייס, קיפ תורן ובארי באריש בפרס נובל לפיסיקה ב- 2017.

שימוש בטכנולוגיות ייחודיות לאיתור גלי כבידה עשויה לפתוח צוהר להביט להיסטוריה של היקום, התבוננות באירועים כמו המפץ הגדול, ותעניק יכולת פורצת דרך לבחון כוכבי נייטרונים, את התהוות היקום המוקדם, חורים שחורים ועוד. זאת באופן שיהווה קפיצת דרך מדעית, ויצור פיתוחים טכנולוגיים פורצי דרך, בעלי שימושים יישומיים בתעשייה האזרחית והצבאית.  

לאור הצלחת הפרוייקט, ארה”ב מפתחת כיום פרויקט שאפתני אף יותר בשם החוקר הקוסמי (“Cosmic Explorer”) המתוכנן להיות גדול יותר במידות הבסיס, כ-20/40 ק”מ (גדול יותר פי עשרה מהגלאי הנוכחי), ורגיש יותר מהמצפה הנוכחי. בנוסף, סוכנות החלל נאס”א עובדת על פרוייקט שאפתני עוד הרבה יותר – מערכת בשם ליסה (   ] Laser Interferometry Space Antenna]- NASA,LISA) “אנטנת חלל” מבוססת לווינים הנושאים אינטרפרומטר-לייזר. LISA יהיה גלאי גלי הכבידה הייעודי הראשון מבוסס-חלל.

איכון עולמי משולב לניטור גלי כבידה

בשנים האחרונות, מספר מדינות, בהן איטליה, יפן והודו בנו, או מתכוונות לבנות גלאי כבידה נוספים שיעבדו כחלק מהשותפות שהיא היום בינלאומית, וכוללת מדענים ממספר רב של מדינות.  היתרון המרכזי בפריסה נרחבת של גלאים ברחבי הגלובוס הוא היכולת למקם באופן מדויק יותר את מקור גלי הכבידה הנראים, ובכך לכוון בזריזות טלסקופים לנקודה הנכונה בשמיים כך שיאפשרו חקר מהיר של התופעה שהובילה ליצירת גלי הכבידה.

לאיטליה יש מצפה גלי כבידה פעיל בשם VIRGO, אשר התכנון שלו החל בתחילת שנות ה-90, והופעל לראשונה ב 2003. לאחר שנים של שיפורים, החל מ-2017 הוא משולב עם הגלאי האמריקאי LIGO. ביחד הם מגדילים הן את הרגישות ובעיקר את דיוק מיקום מקור גלי הכבידה. האינטרפרומטר של וירגו נועד לזהות גלי כבידה והוא ממוקם בסנטו סטפנו א-מקראטה, ליד העיר פיזה, איטליה. שתי הזרועות של המכשיר באורך שלושה קילומטרים, מארחות את המראות והמכשור שלו בתוך צינורות ואקום גבוה.

VIRGO מנוהל על ידי מצפה הכבידה האירופי (EGO), קונסורציום שנוסד על ידי ה-CNRS הצרפתי ו-INFN האיטלקי. The Virgo Collaboration מפעיל את הגלאי ומורכב מיותר מ-700 חברים, המייצגים 129 מוסדות ב-16 מדינות שונות. האינטרפרומטר נקרא על שמו של צביר הכוכבים VIRGO, המכיל של כ-1,500 גלקסיות בקבוצת הכוכבים במרחק של כ-50 מיליון שנות אור מכדור הארץ. 

שיתוף הפעולה עם VIRGO הוא גם חלק משיתוף הפעולה הגדול יותר של LIGO-Virgo-KAGRA) LVK), המאגד מחדש מדענים מניסוי גלי הכבידה הגדולים האחרים, במטרה לשאת ניתוח משותף של הנתונים שהוא חיוני לגילוי גלי כבידה.

מעבר לארה”ב ואיטליה, גם יפן בנתה בשנים האחרונות מצפה גלי כבידה. המצפה היפני הוא הראשון בעולם שהוא כולו תת קרקעי, ומשתמש בטכנולוגית קרור חדשניות למראות.  מצפה גלי הכבידה של יפן KAGRA נכנס לפעילות ב- 2021, בינתיים הוא פועל ברגישות נמוכה יותר. ואולם לאחר שיפור הרגישות של מצפה גלי הכבידה ביפן המתוכנן לעתיד הקרוב הוא עתיד להיות הגלאי בעל הרגישות הגבוהה ביותר, ולאפשר הקמת רשת זיהוי חזקה אף יותר. 

מוקדם יותר השנה אישרה ממשלת הודו תקציב בסך 320 מליון דולר לבניית גלאי גלי כבידה נוסף על אדמת הודו.  הגלאי אמור להיות מוכן ב- 2030, ולהצטרף לרשת הגלאים הבינלאומית. העבודה לקראת הגלאי, שהחלה לפני כעשור, מרכזת ומכוונת פעילות של כעשרה מכוני מחקר ואוניברסיטאות בכל רחבי הודו. הודו אירחה פוסטדוקים מרחבי העולם, ושלחה סטודנטים וחוקרים מהודו למעבדות של LIGO ולמוסדות LVK ברחבי העולם להשתלמויות בטכנולוגיה ובתחומי המדע הרלוונטיים.

קיומם של מצפים מרובים המופרדים על ידי מרחקים עצומים ברחבי העולם לא רק מאפשר מידה רבה יותר של אימות התגליות, אלא גם מסייע לדייק באיתור האיזור בחלל ממנו מגיע האות (בדומה לאיכון GPS אשר מתבצע ע”י מספר קואורדינטות).

הזווית הישראלית 

בישראל קיימת קבוצת מחקר אחת החברה באופן מלא ב LVK, במחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בר אילן. הקבוצה עוסקת בניתוח מקורות ועיבוד נתונים מהגלאים, במיוחד בשימוש שלהם למחקר יחסות כללית, חורים שחורים, וכוכבי ניוטרונים. קבוצות נוספות העובדות על הפיסיקה והנתונים של LIGO קיימות גם במכון וייצמן, באוניברסיטה העברית, בטכניון, ובאוניברסיטת בן גוריון. 

הפעילות צפויה להתרחב באופן משמעותי עם התחלת הרצת התצפית הרביעית (O4) של הגלאים החל מסוף חודש מאי, למשך כשנה וחצי של איסוף נתונים, ותקופה דומה עד לעיבוד ומיצוי המידע. קפיצת דרך משמעותית בהיקף ואופי המעורבות – התיאורטית והטכנולוגית – תתכן אם יפותח גלאי נוסף.

LIGO – גלי כבידה מאירים את היקום | הזדמנות לאומית

מתקני LIGO והמחקר והפיתוח הטכנולוגי הנלווה צפויים להשפיע על מגוון טכנולוגיות ופיתוחים קיימים.  פיתוחים טכנולוגיים ייחודיים צפויים להיות מופקים ממתקנים מסוג LIGO כמו לדוגמה פיתוחי שבבים מהדור הבא – שבבים אופטים מבוססי אור, ניתוח אותות באמצעות AI, פיתוח רזולוציה מולקולרית, סריקה רפואית מתקדמת וכן מערכות הינע מבוססות קוונטום. 

הקמת מכון LIGO ישראל

פרויקט LIGO הישראלי בשיתוף האמירויות מתוכנן לצאת לדרך במהלך 2024 בשלב ראשון כמרכז מדעי לפיתוח ומסחור טכנולוגיות כאשר בתיאום עם גורמי ממשל, אקדמיה ומחקר, תיבחן הקמת מכון המדידה בתצורה עילית או תת קרקעית (בדומה לתכנון המכון האירופאי) עקב מגבלות הקרקע בישראל.

LIGO – ISRAEL מתוכנן בתור קונסורציום מדעי אשר בו ייקחו חלק מיטב האוניברסיטאות בישראל, מכוני מחקר וחברות טכנולוגיה. הפרויקט מהווה הזדמנות יוצאת דופן, לא רק בתחום יחסי החוץ והשתלבותה של ישראל במרחב, אלא בראש וראשונה בתחום המדעי-טכנולוגי. 

לפרויקט זה חשיבות לאומית, מדעית וטכנולוגית למדינת ישראל. השלכותיו בהיבטים אלה אינן מתמצות רק בהיבטי יזמות טכנולוגית, מדע, אקדמיה ומו”פ בתחום האזרחי אלא גם בהיבטים צבאיים ואסטרטגיים. 

הצפי הוא כי בעשור הקרוב ההתקדמות בתחומי מדעי החומרים, מערכות חישוב פוטוניות וקוונטום, יאיצו את תהליך של מזעור טכנולוגיות הגלאים ובמקביל יאפשר ליישם את יכולות חישה ועיבוד בשוק מחשוב הענן, מחשוב קצה (EDGE COMPUTING) וכן בתעשיית האנרגיה המתחדשת ועוד.

מערכות האינטרפרומטר המודרניות הן תוצאה של התקדמות במחקר פיזיקלי של התנהגות פוטונים, שזירה קוונטית עם טכנולוגית גלאים מתקדמת. 

חקר של חורים שחורים הוא רק דוגמה אחת להתפתחות מדעית שמאיצה את המחקר והפיתוח בתחום מכשירי מדידה וחישה אופטים. גם ההתפתחות הבטחונית ויכולות המסחור מבהירים את חשיבות כלכלת הדיפ-טק (כלכלה המורכבת מחברות המפתחות מערכות שהן בתפר בין המדע הבסיסי ליישומי, כשלכל טכנולוגיה כזו יש סיכוי גדול לשבש שווקים גדולים)  לישראל ופיתוח מיזמים כגון LIGO בשיתוף פעולה בינלאומי וישראלי.

וועידת ספייסטק השנייה שתתקיים ב-22 במאי במרכז הכנסים אקספו ת”א תתמקד בבניית כלכלת החלל, המוערכת בטריליון דולר, ובספייס ניישן בתור קטר צמיחה לכדור הארץ. 

כתבה זו היא תוכן מקודם עבור גולשי אתר הידען. המאמר נכתב בשיתוף פרופסור אסף פאר מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בר אילן, בשיתוף ד”ר לביא סיגמן המכהן כמנהל, דירקטור ויועץ במספר חברות וארגונים בתחום ננו-חומרים, קלינטק, ביוטכנולוגיה ואגריטק, ובשיתוף ליאור הרמן, שותף ומייסד קרן הון הסיכון  TYPE5 VC המתמחה בטכנולוגיות חלל.

את האירוע ינחה כתב הטכנולוגיה של N12 דרור גלוברמן. ההרצאות מיועדות לחוקרים, מפתחים, יזמים, משקיעים פרטיים, קרנות הון סיכון, מנהלי ואנשי שיווק, טכנולוגיה ומדעים. 

הנחה מיוחדת לגולשי אתר הידען – הזינו את קוד ההנחה spacevip75. מספר המקומות מוגבל. להזמנת כרטיסים באתר וועידת החלל ספייסטק 2023:  https://spacetechsummit.info