האם גלי כבידה יוכלו להאיר על קצב התפשטות היקום?

חוקרים טוענים כי גלי הכבידה הנפלטים ממיזוג כוכבי נייטרונים עם חורים שחורים עשויים להצביע על קצב התפשטות היקום 

כדי להעריך את קצב התפשטות היקום המתואר על ידי קבוע האבל, חוקרים מתבוננים על כוכבים וגופים שמימיים נוספים ומודדים את מהירותם ומרחקם. קבוע האבל נמדד לראשונה על ידי אדווין האבל בשנות השלושים של המאה הקודמת ומאז נעשו מספר מדידות נוספות להערכת קבוע זה. על פי חוק זה קיים יחס ישר בין מידת ההתרחקות של עצמים בחלל לבין המרחק בניהם כאשר קבוע האבל מתאר יחס זה. למעשה ניתן לומר שככל שהמרחק בין שני גופים גדל כך גדלה המהירות היחסית שהם מתרחקים אחד מהשני.

עד היום הניסיונות הכי מדויקות לקבוע את קבוע האבל לא תאמו אחד את השני. כעת השיטה חדשה תוכל לקבוע בדיוק גבוה בהרבה את ערכו של קבוע האבל ואולי את עתידו של היקום – האם הוא צפוי לקרוס אל תוך עצמו או להתפשט לעד.

חוקרים מ-MIT ואוניברסיטת הארוורד הציעו דרך להעריך את קבוע האבל באופן מדויק יותר. בעזרת גלי הכבידה הנפלטים ממיזוג כוכב נייטרונים וחור שחור, ממאורע יחסית נדיר המשלב פליטה של גלי כבידה וקרינת אור בעת הסחרור והמיזוג של שני עצמים אלו. זהו מאורע שניתן למדוד בו זמנית את שני סוגי הקרינה ובכך להעריך את קבוע האבל.

בכתב העת הנחשב PHYSICAL REVIEW LETTERS שפורסם ב-12 ביולי החוקרים דיווחו כי הבזק האור הנפלט מהמיזוג מאפשר לחוקרים למדוד מהי מהירות התרחקות המערכת מכדור הארץ ובמקביל גלי הכבידה יכולים להעריך את המרחק של המערכת מכדור הארץ באופן מדויק. אומנם מאורעות של מיזוג כוכב נייטרונים וחור שחור הוא יחסית נדיר, יספיקו מספר בודד של תצפיות כאלו כדי לקבוע בדיוק רב מהו קבוע האבל ולפיכך את קצב התפשטות היקום.

סלבטור ויטאל, פרופסור לפיזיקה ב-MIT שכתב את המאמר טוען כי “מערכות בינאריות של כוכב נייטרונים וחור שחור הן מערכות מורכבות מאוד, אנחנו יודעים עליהן מעט מאוד. אם נאתר אחת מהן, נקבל במתנה תרומה אדירה על ידיעת היקום”.

מדידות עבר של קבוע האבל

בשנים האחרונות בוצעו שתי מדידות מרכזיות להערכת קבוע האבל: האחת על ידי טלסקופ החלל האבל של נאס”א והשנייה נעשתה בשימוש הטלסקופ של סוכנות החלל האירופאית – טלסקופ פלאנק. טלסקופ החלל האבל מבסס את מדידותיו על משתנים קפאידיים (כוכבים בעלי בהירות מחזורית) או על תצפיות של סופרנובות (סוף חייהם של כוכבים מאסיביים). שתי תצפיות אלו ידועות כמקורות אור סטנדרטיים שחוקרים יודעים להעריך בעזרתם את המרחק ומהירות התפשטות של כוכבים.

דרך נוספת להעריך את קבוע האבל מבוססת על פלקטואציות בקרינת הרקע הקוסמית  – הקרינה האלקטרומגנטית שטבועה ביקום מימי המפץ הגדול. אומנם המדידות של שתי השיטות מדויקות להפליא, הן עדיין לא מסכימות על ערכו של קבוע האבל.

“כאן לייגו (LIGO) נכנס למשחק” ויטאל מוסיף. לייגו היא מערכת לאיתור גלי כבידה, שמקורם מאירועים עוצמתיים במיוחד בחלל הגורמים לגלים במרקם של המרחב -זמן עצמו.

ב-2017 מדענים ראו לראשונה מיזוג של שני כוכבי נייטרונים. זו הייתה תצפית ייחודית מאוד משום שנמדדה בפעם הראשונה במקביל גם בגלי כבידה על ידי LIGO וגם על ידי טלסקופים באור הנראה. גלי הכבידה העוצמתיים הגיעו עד לכדור הארץ ואפשרו לחוקרים למדוד את המרחק של המאורע. במקביל הקרינה שנפלטה העניקה לחוקרים גם האפשרות למדוד את מהירות ההתרחקות של המערכת הבינארית.

בעזרת נתונים אלו החוקרים העריכו מחדש את קבוע האבל אך אחוז השגיאה שעומד על 14 אחוז גבוה למדי, גבוה בהרבה ממדידות של פלאנק או האבל. ויטאל אומר שמרבית השגיאה נובעת מהקושי להעריך את המרחק של המערכת הבינארית של כוכבי נייטרונים מכדור הארץ בעזרת הנתונים שהתקבלו מגלי הכבידה

ויטאל מסביר ש”אנחנו מודדים את המרחק בעזרת הערכת הרעש מגלי הכבידה, כלומר כמה הנתונים שלנו נקיים. אם הם מאוד נקיים אנחנו מסוגלים להעריך במדויק את המרחק, אך עבור כוכבי נייטרונים לא כך המצב”.

משום שזוג כוכבי נייטרונים המסתחררים אחד סביב השני יוצרים מאין דיסק אנרגתי סביבם שפולט גלי כבידה באופן לא אחיד. מרבית המערכות הבינאריות פולטות גלי כבידה ישירות ממרכזן ורק שבר מהפליטה נובע מהקצוות. אם חוקרים מאתרים גלי כבידה “רועשים” ככל הנראה שהמקור לכך מגיע מאחד משני המצבים: גלי הכבידה נפלטו מקצוות המערכת או שגלי הכבידה נבעו ממערכת רחוקה בהרבה. “במערכות בינאריות של כוכבי נייטרונים קשה מאוד להבחין בין שני המצבים” ויטאל אומר.

דרך חדשה

ב-2014, עוד לפני שלייגו איתר לראשונה גלי כבידה, ויטאל ועמיתיו הבחינו שמערכת בינארית של כוכב נייטרונים וחור שחור יאפשר מדידה מדויקת יותר של המרחק. במקור החוקרים שאלו כמה מדויק ניתן למדוד את הספין של חור שחור. הספין של חור שחור מצביע על מידת סיבובו סביב צירו, ממש כמו שכדור הארץ מסתובב סביב צירו. החוקרים דימו במחשב מערכות בינאריות עם חורים שחורים וכתוצר לוואי של חישובים אלו הם גילו שניתן למדוד באופן מדויק להפליא את המרחק של עצמים אלו. ויטאל אומר שהערכה המדויקת של המרחק מתאפשרת בזכות הספין של החור השחור.

“האם העובדה שמיזוג חורים שחורים עם כוכבי נייטרונים מאפשרים מדידה מדויקת של מרחק מפצה על העובדה שקיימות מעט מאוד אירועים שכאלה ביחס למיזוג שני כוכבי נייטרונים?” שאל ויטאל.

כדי לענות על שאלה זו, הצוות של ויטאל ערך הדמיות רבות כדי לחזות את התדירות של הופעת מיזוג מערכות בינאריות ביקום וגם את התרומה שלהם לדיוק מדידת המרחק. הם הראו שעל אף שמערכות בינאריות של כוכבי נייטרונים קיימות ביקום פי חמישים יותר ממערכות בינאריות של חורים שחורים וכוכבי נייטרונים, השניים עשויים למדוד באופן מדויק בהרבה את קבוע האבל ובכך את קצב התפשטות היקום.

אם נהיה לרגע אופטימיים, אם מערכות של חורים שחורים וכוכבי נייטרונים היו מופיעות ביקום מעט יותר, היינו יכולים למדוד את קבוע האבל פי ארבע יותר מדויק מהמדידות שנעשו עד כה.

“עד עתה, חוקרים התמקדו במערכות בינאריות של כוכבי נייטרונים כדי למדוד את קבוע האבל בעזרת גלי הכבידה שהם פולטים בעת מיזוגם” אמר ויטאל. “אנחנו הראנו שקיימים מקורות נוספים לגלי כבידה שלא נוצלו –  מיזוגים של חורים שחורים עם כוכבי נייטרונים. ב-2019 לייגו יחל לאסוף מחדש נתונים מדויקים ורגישים הרבה יותר, כלומר הוא יוכל למדוד גופים ממרחקים גדולים עוד יותר. לפיכך לייגו יהיה מסוגל לאתר לפחות מערכת אחת של כוכב נייטרונים וחור שחור ועד 25 כאלה. אם כך הדבר, נוכל סוף סוף להפיג את המתח בנוגע למדידת קבוע האבל וקצב התפשטות היקום בשנים הקרובות”15

למאמר ב- Physical Review Letters

להודעת החוקרים

עוד בנושא באתר הידען:

• לראשונה התגלו גלי כבידה וגלי אור מאותו אירוע – התמזגות שני כוכבי ניטרונים
• “הזוכים בנובל לפיזיקה הופתעו בעצמם מעוצמת האות של אירוע גלי הכבידה הראשון”
• האם היקום מתפשט מהר מכפי שחשבנו?