הסחה לאדום של האור מצבירי גלקסיות – עוד אישור לתורת היחסות הכללית

אסטרופיסיקאים מהמרכז הקוסמולוגי האפל במכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן, ביצעו ניסוי בתורת הכבידה של איינשטיין בסקאלות שהן גדולות יותר ממערכת השמש - צבירי גלקסיות

כל התצפיות באסטרונומיה מבוססות על אור שנפלט מכוכבים וגלקסיות. לפי תורת היחסות הכללית האור מושפע על ידי הכבידה. לאיינשטיין היה חבר אסטרונום מברלין בשם ארווין פרוינדליש, שטען שביצע ניסוי בכוכבים ומצא עדות להסחה לאדום הכבידתית. כולם זוכרים את הניסוי הגדול של ארתור אדינגטון מ-1919 שאישר את הניבוי של איינשטיין בנוגע להתעקמות קרני האור בסמוך לדסקת השמש. בעקבות הניסוי הזה איינשטיין התפרסם בעולם כולו ונהפך לגאון הגדול שהגה תיאוריה של מרחב-זמן עקום.

הפירושים כולם באסטרונומיה מבוססים על הנכונות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין. ומה לגבי ניסויים שיאמתו את השפעת הכבידה על האור, ההסחה לאדום הכבידתית, בסקאלה שהיא מעבר למערכת השמש? תצפיות של מרחקים גדולים ביקום מבוססות על מדידות של הסחה לאדום. אורכי הגל של האור מגלקסיות מרוחקות מוזזים יותר ויותר לעבר האדום ביחס למרחק. משתמשים בהסחה לאדום כדי לדעת כמה היקום מתפשט מאז יציאת האור עד שהוא נמדד על כדור הארץ. בנוסף, תורת היחסות הכללית מנבאת, שהאור וההסחה לאדום מושפעים על ידי כבידה מהמסות הגדולות כמו צבירי גלקסיות והם גורמים להסחה לאדום כבידתית של האור, הסחה לאדום כבידתית קוסמולוגית (הסחה לאדום בסקאלות קוסמולוגיות). אבל ההשפעה הכבידתית על האור הזו אף פעם לא נמדדה קודם לכן בסקאלות קוסמולוגיות.

אסטרופיסיקאים מהמרכז הקוסמולוגי האפל במכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן, בראשם האסטרופיסיקאי ראדק ווג'טק, נגשו למשימה זו והם הצליחו לבצע ניסוי כזה בתורת הכבידה של איינשטיין בסקאלות שהן גדולות יותר ממערכת השמש. הם הצליחו למדוד כיצד האור מושפע מהכבידה בדרכו לצבירי גלקסיות. התצפיות מאמתות את הניבויים התיאורטיים של איינשטיין. התוצאות פורסמו בכתב העת היוקרתי נייצ'ר.
איינשטיין: מעליות ושעונים

הניבוי הראשון שאיינשטיין הציע בתורת היחסות הכללית שלו היה, הכבידה יכולה לעקם את האור: "מזה נובע שקרני האור האלה שלא מתפשטות לאורך (הציר המקביל) מתעקמות על ידי השדה הכבידתי". הניבוי השני של איינשטיין היה, האפקט של ההסחה לאדום הכבידתית של האור. אם ניקח את גל האור כאנרגיה, אז כמות האנרגיה שנישאת על ידי גל האור היא פרופורציונית לתדירות הרטט שלו. כאשר גל בורח משדה כבידתי הוא מוסר חלק מהאנרגיה שלו וכתוצאה תדירות הרטט שלו יורדת. אין מדובר כאן במהירות האור, אלא בתדירות של גלי האור. על בסיס זה איינשטיין ניבא שהשדה הכבידתי החזק של השמש צריך לגרום לירידה בתדירות של האור של השמש שמגיע לכדור הארץ. אפקט כזה קרוי הסחה לאדום מכיוון שתדירות האור יורדת (אורכי גל ארוכים יותר) והצבע זז לקצה האדום של הספקטרום.
ההסחה לאדום הכבידתית הובילה את איינשטיין להתארכות הזמנים הכבידתית. הוא הבין שהקשר בין התפשטות האור בשדה כבידה לזמן נבע מיידית. איינשטיין הגיע למסקנה ששעונים בשדות כבידתיים שונים מתנהגים בצורה שונה. הכבידה מעקמת ומעוותת את הזמן. ניתן להסביר זאת בניסוי המעלית, השעונים וקרני האור.
נדמיין צופים ושעונים שמצויים בתוך מעלית מאיצה. הצופים לא יכולים להחליט בשום אופן האם המעלית שלהם היא במנוחה בשדה כבידתי או האם היא מואצת בחלל ללא שדות כבידתיים וישנם כוחות שפועלים על המעלית. נצמיד שעון לתקרת המעלית בעוד אנו מצמידים שעון נוסף לרצפתה. ליד השעון בתקרה יושב צופה אחד וליד השעון ברצפה יושב צופה שני. נגיד שהשעונים האלה לא מטקטקים, אלא הם פולטים הבזקי אור. במנוחה, השעונים נותרים מסונכרנים על ידי השימוש בהבזק אור שאותו השעון מלמעלה פולט בכל שנייה. עתה המעלית מתחילה להאיץ באחידות כלפי מעלה.
נשאל קודם את הצופה ברצפת המעלית לדעתו. בין כל הבזק אור של השעון שמצוי בתקרת המעלית, המעלית כבר נעה כלפי מעלה, כאשר היא מאיצה עוד ועוד למהירויות יותר גבוהות. כל הבזק כך צריך לנוע למרחק קצר יותר ויותר לעבר השעון שברצפה, שבינתיים התרומם כדי לפגוש את הסיגנל יחד עם תנועת המעלית כולה. "לכל סיגנל לוקח פחות זמן להגיע לשעון השני מאשר לקח לו כאשר המעלית הייתה במנוחה במקום. אותו הדבר יהיה תקף להבזק השני ועבור ההבזק אחריו, ואחריו וכך הלאה. כל מי שיבדוק את ההבזקים יראה שכל הבזק מהשעון הראשון מגיע במעט פחות משנייה, כפי שמתקתק השעון השני. בהינתן זאת, יכול להיות רק תנאי אחד, השעון של הצופה בתקרה מהיר יותר. אבל השעון שלי נע בדיוק כמו קודם באותו הקצב ולא נראה לי שצריך להחליף בטריות".
עתה נשאל את הצופה ליד השעון בתקרה. הבזקי האור יכולים לנוע אך ורק במהירות האור c. אבל הפולסים שמגיעים לתקרה מגיעים במרווחים גדולים יותר ויותר. לכל פולס יש יותר מרחק לנוע בגלל שהתקרה מתרחקת. ולכן לפולס לוקח יותר זמן להגיע לצופה בתקרה. "השעון ברצפה איטי יותר. השעון שלי בסדר גמור ולא נראה לי שנגמרו לו הבטריות".
דברים מוזרים מתרחשים במעלית. נגיד שהמעלית הייתה מאיצה כל כך קרוב למהירות האור, ממש כמעט-כמעט במהירות האור. מה היה קורה? הצופה שתלוי על התקרה היה טוען שהשעון על הרצפה כמעט נעצר. עתה נניח שהמעלית הייתה יכולה להאיץ אל מעבר למהירות האור. כמובן שזה בלתי אפשרי משיקולי אנרגיה ומסה. אבל זה רק ניסוי מחשבה דמיוני. אז נגיד... מה היה קורה? הצופה שתלוי על התקרה היה רואה את השעון על רצפת המעלית נע אחורה בזמן.
עקרון השקילות קובע שאין כל הבדל שניתן לגלותו בין התאוצה ובין הכבידה ולכן בין המעלית המאיצה בחלל למעלית בשדה כבידתי. פירושו של דבר שהשעונים בשדה הכבידתי צריכים להתנהג בדיוק באותה הדרך כמו השעונים המואצים על גבי המעלית המאיצה. שעון שממוקם היכן שהכבידה מושכת יותר חזק, קרוב יותר למרכז כדור הארץ, חייב לנוע לאט יותר מאשר שעון היושב מעט רחוק יותר ממרכז כדור הארץ. מה דעתכם לגבי השעון הראשון במידה שמהירות האור עוברת את c? ומה לגבי ההסחה לאדום הכבידתית?
חיפוש באור של צבירי גלקסיות
נשוב לניסוי. ראדק ווג'טק יחד עם הקולגות סטין הנסן וג'נס הגורס בחנו מדידות של אור מגלקסיות של כ-8000 צבירי גלקסיות. צבירי גלקסיות הם הצטברות של אלפי גלקסיות, שמוחזקות יחדיו על ידי הכבידה שלהן עצמן. העובדה הזו משפיעה על האור שנשלח החוצה לחלל מהגלקסיות.
המדענים חקרו את הגלקסיות שמונחות במרכז צבירי הגלקסיות ואת אלה שנמצאות בפריפריה. הם מדדו את אורכי הגל של האור. ווג'טק סיפר, "יכולנו למדוד הפרשים קטנים בהסחה לאדום של הגלקסיות ולראות שהאור מהגלקסיות במרכז הצביר היה צריך 'לזחול' החוצה דרך השדה הכבידתי, בעוד שזה היה קל יותר לאור מגלקסיות שהן רחוקות יותר מהמרכז להגיח". אחר כך הם מדדו את המסה הכוללת של צביר הגלקסיה וחישבו את הפוטנציאל הכבידתי. תוך שימוש בתורת היחסות הכללית הם חישבו את ההסחה לאדום הכבידתית עבור המיקומים השונים בגלקסיות.
ווג'טק סיכם את הממצאים. התוצאה שהתקבלה הייתה, שהחישובים התיאורטיים של ההסחה לאדום הכבידתית, שמבוססים על תורת היחסות הכללית, הם בהסכמה מלאה עם התצפיות האסטרונומיות. האנליזה של התצפיות של צבירי הגלקסיות מראה שההסחה לאדום של האור מאזנת בצורה פרופורציונית את ההשפעה הכבידתית מהכבידה של צביר הגלקסיות.
http://www.nbi.ku.dk/english/news/news11/light_from_galaxy_clusters_confirm_theory_of_relativity_/