סיקור מקיף

אוזן קשבת להדי המפץ הגדול / רוס ד' אנדרסן

מדענים מתכוננים ללכוד את גלי הכבידה הראשונים, ולכן תשומת הלב מופנית למכשירים שיאפשרו לאסטרונומים להציץ אל קרביהם הבלתי נראים של חורים שחורים ולצפות בהיסטוריה הקדומה והנסתרת של הזמן * הכתבה פורסמה בסיינטיפיק אמריקן עוד לפני התגלית של השבוע של עדויות לגלי הכבידה.

המפץ הגדול. איור: shutterstock
המפץ הגדול. איור: shutterstock

נניח שאתם רוצים לזכות בהצצה חטופה אל ראשית הזמן, אל הרגעים הראשונים ביותר של הבריאה הקוסמית. ייתכן שהצעד הראשון שלכם יהיה בניית טלסקופ מושלם, מכשיר בעל עוצמה גדולה כל כך עד שיוכל לשלוח את מבטו אל קצה קצהו של היקום הנראה. אתם תאתרו פסגת הר צחיחה, הרחק מזוהר אורותיה של הציוויליזציה המאפיל על אור הכוכבים. תיישרו את הקרקע סמוך לפסגתו כדי להקים שם עמדה נוחה ותציבו על גבה את מצפה הכוכבים המשובח ביותר שאפשר לבנות. תציבו במצפה טלסקופ בעל מראה ענקית, גדולה בהרבה מכדי שיהיה אפשר לשגר אותה לחלל, ותציידו אותה במערך של גלאים מתוחכמים. תשקיעו במבצע הזה כמה וכמה שנים, וגם כמה מיליארדי דולרים, כדי ששום פוטון לא יחמוק ממבטכם. אבל מה תוכלו לראות באמצעותו? נניח שהגיע הלילה, אותו לילה אחד ויחיד מבין אלף לילותיו של האסטרונום, שבו הירח מסתתר מתחת לאופק וכיפת השמים מתקמרת מעל, אפלה וצלולה. אילו אבני חן ינצנצו מתיבת התצוגה השחורה והקטיפתית של החזיונות השמימיים?

מתברר שלא מעט. בחזית, תראו חופן כוכבי לכת מפוזרים, מסלוליהם חוצים את מעגלי הסחרור היציב של קבוצות הכוכבים. מעבר להם, כוכבים מקומיים יבהיקו באורם על רקע נצנוצי לובן קלושים יותר. בפינות האפלות יותר של השמים יזהרו גלקסיות, מקצתן ממרחק של מאות מיליוני שנות אור. אם תכוונו את הטלסקופ המושלם שלכם בדיוק אל הנקודה הנכונה, הוא יוכל לחשוף גומחות עוד יותר עמוקות של הקוסמוס. הוא יוכל לקחת אתכם אל הכוכבים הראשונים: כדורי ההליום והמימן העצומים, שפניהם הלוהבות האירו את היקום הצעיר.

עוד בנושא באתר הידען:

ואולם, יש גבולות לאור, הוא אינו יכול להראות לכם את היקום כולו. גם אם תתבוננו מבעד לטלסקופ כל הלילה, בכל לילה, עדיין לא תוכלו לשלוח מבט אל מרכזו של חור שחור או אל הפצעתו של הזמן עצמו. מיד לאחר המפץ הגדול, במשך כמה מאות אלפי שנים, הפוטונים של היקום הפעוט נשארו לכודים בתוך מרק דחוס של חלקיקים מחניקי-אור, כמו גחליליות שנלכדו בבוץ. היו צריכות לחלוף 380,000 שנים מתחילת המפץ הגדול כדי שהיקום יתקרר ויהפוך למשהו שקוף, ולצורך העניין, גם קריא; ריקנות שדרכה אפשר לראות את הבזק הבריאה. אנחנו מכנים את ההבזק הזה בשם קרינת הרקע הקוסמית (CMB), והיא הטקסט העיקרי של הקוסמולוגיה המודרנית. היא גם מתפקדת כחומה, מחסום בזמן, שמעבר לו מושלת האפלה.

זה מאות שנים, הליקוט הקפדני של אורות קדומים היה הדרך העיקרית לצפות ביקום, המפתח לניסויים השאפתניים ביותר של הקוסמולוגיה. אבל האור אינו יכול לזרוח על ראשית הזמן, יהיו הטלסקופים שלנו גדולים ומתוחכמים ככל שיהיו. כדי לראות אל מעבר לקרינת הרקע ולשלוח מבט אל שחר היקום, הקוסמולוגים חייבים לפנות אל הכבידה, כוח שמותיר הדים משלו זרועים ברחבי החלל, הדים שאנחנו מכנים גלי כבידה. בשביל לזהות את ההדים האלה, נזדקק למכשיר מסוג חדש, שונה מאוד מטלסקופ.

הגלאים הראשונים

המסע אחר בניית מכשיר שמסוגל לזהות גלי כבידה התחיל לפני עשרות שנים, אבל נכון לעכשיו,

טרם נשא פירות. נכון לזמן כתיבת המאמר הזה, מצפֶה גלי הכבידה באמצעות אינְטֶרפֶרוֹמֶטְרִיַית לייזר (LIGO), מייצג את הניסיון הרציני ביותר שנעשה בתחום. המצפה הזה מורכב משלושה מכשירים, שניים במדינת וושינגטון ואחד בלואיזיאנה. כל אחד מהם הוא פלא הנדסי, סרגל מבוסס לייזר המסוגל לזהות תנודה ברוחב אטום. LIGO יורה קרני לייזר במורד שתי זרועות מאונכות זו לזו, ומודד את ההבדל באורכן, שיטה הידועה בשם אינְטֶרפֶרוֹמֶטְרִיַית לייזר [ראו תיבה בצד שמאל למטה בעמוד 39]. אם גל כבידה גדול דיו יעבור בסביבה, הוא ידחף וימשוך את הזרועות לפנים ולאחור, וישנה כך את אורכן זו ביחס לזו. בעיקרו של דבר, LIGO הוא אפרכסת שמימית, מיקרופון ענק המאזין להמייתה של סימפוניית הקוסמוס הנסתר.

בדומה לתופעות פיזיקליות אקזוטיות רבות, מקור הידע שלנו על גלי הכבידה הוא במושגים תיאורטיים, יצירי משוואות, ולא בחוויה חושית. אלברט איינשטיין היה הראשון שהבחין בכך שתורת היחסות הכללית שלו חוזה את קיומם של גלי כבידה. הוא הבין שעצמים מסוימים הם בעלי מסה גדולה כל כך ונעים במהירות גבוהה כל כך עד שהם מפתלים את מארג המרחב-זמן עצמו, ושולחים לאורכו אדוות זעירות.

עד כמה הן זעירות? כל כך זעירות עד שאיינשטיין סבר שלעולם לא יהיה אפשר לצפות בהן. אבל ב- 1974, שני אסטרונומים, ראסל האלס וג'וזף טיילור, הסיקו שגלי כבידה קיימים באמצעות ניסוי גאוני: מחקר מדוקדק של עצם אסטרונומי המכונה פּוּלְסַר בּינַארי. פּוּלְסַרים הם ליבותיהם המסתחררות, המבזיקות, של כוכבים שהתפוצצו לפני זמן רב. קצב ההסתחררות וההבזקה שלהם הוא סדיר להפליא, תכונה שגרמה להם להתחבב מאוד על אסטרונומים מפני שהם ממלאים בשבילם תפקיד של שעונים קוסמיים. במערכת פולסרים בינארית, פולסר ועצם אחר (במקרה הזה, כוכב נויטרונים בדחיסוּת-על) מקיפים זה את זה. האלס וטיילור הבינו שאם איינשטיין תיאר את היחסות באופן נכון, אז הצמד הספירלי יפיק גלי כבידה שינקזו מן המערכת את אנרגיית ההקפה, וכתוצאה מכך רדיוס המסלול יתכווץ בהדרגה והמהירות של הצמד תגדל. שני האסטרונומים התוו את המסלול המסתבר של הפולסר ואז צפו בו במשך שנים כדי לראות אם המסלול המתכווץ יופיע בנתונים. לא זו בלבד שההתכווצות הופיעה, היא אף התאימה לתחזיות של האלס וטיילור התאמה מושלמת, התיישבה על הגרף ללא שום סטייה והעניקה לאיינשטיין אישוש מוחלט כל כך עד שהשניים זכו ב-1993 בפרס נובל לפיזיקה.

הבעיה עם LIGO היא, שהוא מסוגל לשמוע את הפולסרים הבינאריים האלה רק ברגעיהם האחרונים, כשהספירלות הכוכביות שלהם מאיצות ופולטות סדרה קצבית של גלים חזקים המתקדמים ברחבי החלל כמו חרחורי גסיסה קוסמיים בלתי נראים. ייתכן שהיקום שלנו גדול ומלא בכוכבים, אבל קריסות בינאריות הן נדירות. אם אנו מעוניינים לשמוע אותן במידה כלשהי של סדירות, נצטרך להקשיב לפלח ענקי של הקוסמוס. עד לאחרונה, הטווח של LIGO היה מוגבל לאזור בחלל שהיו יכולות לחלוף מאות שנים בלי שתתרחש בתחומיו שום קריסה בינארית.

ואולם, ההפעלה הראשונה של LIGO הייתה הרצה "על יבש", שיטה לגלות את הפגמים ההנדסיים שמתלווים לתיאומו של מכשיר שמשתרע על פני קילומטרים. כעת, כשהמהנדסים של LIGO יודעים שהם יכולים לגרום לגלאי המסובך לפעול, הם משדרגים את הרגישות שלו, כדי שבקרוב הוא יוכל לזהות קריסה בינארית ממרחק של 500 מיליון שנות אור, שיפור שיוכל לאפשר לו לשמוע מאות אירועים כאלה מדי שנה. ואכן, מרבית האסטרופיזיקאים מצפים ש-LIGO יגיע לזיהוי הישיר הראשון של גלי כבידה בתוך חודשים ספורים מן הרגע שיחזור לפעול ב-2016, יובל המאה לתחזית של איינשטיין.

גלֵי אטומים

על אף עלותו הניכרת של LIGO, השאיפות שלו מצומצמות. במובנים מסוימים, המשימה שלו היא להוכיח את העיקרון, צעד ראשון הכרחי לפני שמדע גלי הכבידה יעלה מדרגה אל הסביבה הטבעית ביותר בשבילו: החלל. כוכב הלכת שלנו הוא מקום איום ונורא למצפה גלי כבידה מכיוון שקרום כדור הארץ נשטף כל הזמן בגלים של רעש סיסמי, תוצר ההתנגשויות הרועמות של הלוחות הטקטוניים שמתחת לפני כדור הארץ ושל האוקיינוסים השוצפים שעל פניו. כל הרעידות והטלטלות האלה יכולות בקלות להטביע את הרפרוף הקליל של החומר הנובע מגל כבידה. כדי לשמוע מגוון רחב יותר שלהם, נזדקק להציב גלאי מחוץ לאטמוספרה, במעמקי החלל, במקום שבו התנאים הסביבתיים הרבה יותר שלווים.

במרכז גודארד לתעופת חלל של נאס"א, שני צוותי מהנדסים מתעתדים להיות הראשונים להציב גלאים של גלי כבידה בחלל. הצוות הוותיק מבין השניים משכלל את המשימה שלו, אנטנת החלל באינטרפרומטריית לייזר (LISA), כבר עשרות שנים. משימת LISA היא פרויקט הנדסי נועז, הדורש דיוק ברמה גבוהה כל כך, עד שבהשוואה אליו LIGO נראה כמו צעצוע שנבנה מלֶגו. הפרויקט דורש שיגור של שלוש חלליות שיקיפו את השמש במבנה של משולש שווה צלעות שאורך צלעו חמישה מיליון קילומטר. ברגע שיוצבו החלליות במקומן, המרחק ביניהן יימדד, ברציפות, באמצעות לייזרים. אם יחלוף בסביבה גל כבידה הוא יפריע לחלליות, יעוות את המשולש והלייזרים ילכדו אותו.

התכנון הבסיסי של LISA לא השתנה הרבה מאז שכמה חלוצי מדעי גלי הכבידה התוו אותו על גבי מפית בכנס פיזיקה של נאס"א לפני יותר משלושים שנה. אבל הוא הלך והשתכלל עם הזמן בזכות מאבקם העקשני של המהנדסים באתגר המעשי: להפיח חיים בתכנון השאפתני הזה. בשלהי שנות ה-90 של המאה ה-20 ובתחילת שנות ה-2000, הייתה LISA לאחת המועמדות הראשונות להפוך לספינת הדגל של המשימות האסטרופיזיקליות בנאס"א, מיד אחרי טלסקופ החלל ג'יימס וֶוב (JWST). ואולם, בשנים שחלפו מאז, זלל JWST את מרבית תקציב האסטרופיזיקה של נאס"א, ומכיוון שלא היו לאסטרונומים שום זיהויים של LIGO, הם התקשו למצוא טיעונים לטובת השקעת מיליארדי דולרים בבניית גלאי של גלי כבידה. ייתכן שיחלפו עוד יותר מעשר שנים עד שמשימה בסגנון LISA תקבל "אור ירוק".

העיכובים האלה פינו על שולחן העבודה של נאס"א מקום לרעיונות חדשניים בשאלה כיצד לזהות גלי כבידה בחלל. צוות קטן במחלקת הרעיונות המתקדמים של הסוכנות החל לאחרונה לפתח גלאי כבידה מסוג חדש, המבוסס על טכנולוגיה בהתהוות הקרויה אינטרפרומטריית אטומים. מבנה הצוות הזה אינו נוקשה, ונכון לעכשיו, קשה מאוד לומר שהעבודה שהם ביצעו מאפשרת לבנות משימה מא' ועד ת'. ראשי הצוות העיקריים, בַּבַּאק סַייף, מהנדס אינטרפרומטריה בפרויקט JWST, ומארק קַסֶביץ', פרופסור לפיזיקה יישומית באוניברסיטת סטנפורד, שקועים שניהם בנושאים דחופים אחרים. לגביהם, זהו פרויקט צדדי, משהו להשתעשע בו ולחלום עליו בשולי עמל יומם.

בפברואר 2013 ביקרתי את סייף באחת ממעבדות הלייזר במרכז גודארד, שם הוא מתחיל לאט-לאט לבנות אינטרפרומטר אטומים, טכנולוגיה שהוא מצפה שתהיה הבסיס לגלאי גלי כבידה קטן יותר וזריז יותר. מאחר שמדובר באחת ממעבדות חקר החלל היוקרתיות ביותר בעולם, אפשר למצוא שם קבוצות גדולות של מדענים שנהנים מייחוס אקדמי מנקר עיניים, אך שורשיו של סייף צנועים יותר. לאחר שהיגר עם משפחתו לארה"ב מאירן כשהיה בן 17, הוא התגורר בצפון וירג'יניה, שם התחיל לשמוע שיעורים במדעים ובמתמטיקה במכללה קהילתית מקומית ולעזור בפרנסת המשפחה בעבודת לילה בתחנת דלק. סייף התגלה כתלמיד מהיר תפיסה. ב-1981 עבר לאוניברסיטה הקתולית של אמריקה על מלגה מלאה, ובשנים שחלפו מאז הוא קיבל שני תוארי דוקטור. לפני שהגיע למרכז גודארד, בילה סייף עשר שנים במכון המדעי של טלסקופ החלל, שם הוא תכנן את האינטרפרומטר שעתיד לבחון את המראות של JWST. האינטרפרומטר של סייף יוודא שהמראות מדויקות עד הרמה הננומטרית, כדי שלא נצטרך להתמודד שוב עם תקלה מביכה כמו שקרתה לטלסקופ החלל האבל, שעלה למסלול כשאחת המראות שלו אינה מיושרת כראוי.

סייף הסביר שרעיון המשימה שלו ושל קסביץ' דומה לרעיון של LISA, כלומר, הוא כולל מדידה של המרחקים בין חלליות הנעות במסלול. ואולם, בשונה מ-LISA, ששם התכנית היא למדוד שינויים במרחק על ידי שילוב של אור מקרני לייזר שנורו מחללית אחת לאחרת, המשימה של סייף וקסביץ' תשתמש באטומים השוכנים ממש מחוץ לחללית [ראו תיבה משמאל למעלה בעמוד הבא]. מכיוון שהאינטרפרומטר האטומי מודד מרחקים בין ענני אטומים, ולא בין חלליות, הוא יכול להיות הרבה יותר קטן. התכנון הנוכחי שלו דורש זרועות שאורכן קטן פי 5,000 מאשר הזרועות של LISA.

עוצמתה של השיטה טמון בדיוק שלה. גל כבידה עשוי להסיט את המרחק שבין החלליות בפחות מטריליונית המילימטר, ואף על פי כן אינטרפרומטר אטומים יוכל לזהות את ההבדל.

אבל לא כולם מתלהבים מן הרעיון. התקציב המצומצם העומד לרשות מדעי החלל גרם למתיחות בין צוות אינטרפרומטריית האטומים של סייף לבין צוות LISA. הרעיונות שמאחורי שתי המשימות דומים במובנים מסוימים. שתי המשימות דורשות שהחלליות יהיו מתואמות ברמת הדיוק שלהן, ושתיהן משתמשות באינטרפרומטריה כדי לבצע מדידות מדויקות. אבל לדברי סייף, בזכות המעבר מאינטרפרומטריית אור לאינטרפרומטריית אטומים נוכל לבנות גלאים רגישים יותר וזולים יותר, ולהקטין את המרחק העצום שבין חללית לחללית; מבקרי פרויקט LISA ראו כבר מזמן בסוגיית המרחק בעיה שעלולה להכשיל את המשימה.

אבל החבר'ה של LISA משיבים אש: הם מייחסים את החיסכון בהוצאות של אינטרפרומטריית אטומים לחדשנותה. הם אומרים שתומכים נלהבים של טכנולוגיות חדשות נוטים שלא להעריך נכון את העלויות הכבדות של הפיתוח. לדבריהם, אפשר לדעת מהו תג המחיר האמיתי של תכנון כלשהו רק לאחר שהמשימה כבר מוכנה, מכיוון שרק אז אפשר להתחיל לראות את האתגרים ההנדסיים היותר סבוכים המתלווים לשילוב המערכות.

בעיית האור

במרכז גודארד, שאלתי את סייף מה מניע אותו להשקיע את שעות הפנאי שלו במשימה שספק רב אם תשוגר כלל. הוא אמר לי שהאפשרות של פיזיקה חדשה היא שהקסימה אותו, שהוא מצפה שהעשורים הבאים יביאו בכנפיהם שינוי מכונן בשדה האסטרונומיה – מַעבר משימוש בפוטונים לשימוש בגרביטונים.

ואכן, גלי כבידה יכולים לסייע לפצות על כמה וכמה מכשלות מדעיות שמציב בפנינו האור, מלבד אי-היכולת שלו לספר לנו על ראשית הזמן. יש לאור מגבלות נוספות ככל שהדבר נוגע לנשיאת מידע. ראשית, האור הוא תוצר של אינטראקציות בין חלקיקים. כשהאור מופיע ביקום, הוא מכריז על התרחשותם של אירועים זעירים, כמו למשל יצירת הליום על ידי מיזוג של אטומי מימן בתוך כוכבים. הוא מתעד את האירועים הקטנים ביותר. אם אנחנו מעוניינים ללמוד כיצד עצמים גדולים נעים דרך המרחב-זמן, עלינו לקבץ אור מתוך הרבה אירועים זעירים כאלה ולהשתמש בו כדי להסיק מסקנות. אנחנו חייבים להרכיב פסיפס של פני השטח.

ואם לא די בכך, האור יוצר הטיה באופן שבו אנחנו רואים את הקוסמוס מכיוון שהוא נוטה להגיע מסביבות מאוד פעילות מבחינה תרמודינמית. באסטרונומיה, נתזי האור הגדולים הראויים לשם "אות" הם תוצרים של אירועים לוהבים, כמו כוכבים שהופכים לסופרנובות בפרפורי המוות שלהם. כשאנחנו חושבים על היקום, המבנה שעולה לנגד עינינו יכלול בדרך כלל מקומות חמים וכאוטיים.

כמו כן, אותות אור הם שבריריים. לעתים קרובות הם מידלדלים או נעלמים לגמרי בשעה שהם עושים את דרכם ברחבי הקוסמוס. קצתם נבלעים על ידי ענני גז ענקיים הניצבים בדרכם. אחרים מתפזרים או נופלים לתוך בורות כבידה עמוקים לבלי שוב. הבורות העמוקים ביותר מן הסוג הזה הם חורים שחורים סופר-מסיביים, עמודי התווך של מבנים קוסמיים שגלקסיות שלמות נעות סביבם. המדענים מבקשים לדעת יותר על אודות החורים השחורים האלה, בייחוד מה קורה כששניים מהם מתמזגים זה עם זה. אבל אפילו טיפת אור אחת אינה מגיעה לעולם לעינינו או לעין הטלסקופים שלנו מתוך חור שחור, מכיוון שפוטונים,על אף מהירותם העצומה, אינם יכולים להימלט מן היניקה של ליבת חור שחור.

הקוסמולוגים נאלצים להסתפק במקום זאת באור שהחור השחור אינו זולל, אור שצץ מאזור הספר שלו, מחומר שנלכד בעיוותי המרחב-זמן הסוערים שמסביבו. למרבה השמחה, אותות גלי-כבידה הם הרבה פחות נוחים להשפעה מאשר אור. אין הם מתפזרים או מידלדלים, אלא יוצרים אדוות המתפשטות ללא הפרעה ברחבי היקום, אדישות לענקים האסטרופיזיקליים הניצבים בדרכן.

הדים בראשיתיים

כמה שבועות לאחר נסיעתי למרכז גודארד, ביקרתי אצל דייוויד סְפֶּרגֶל, ראש המחלקה לאסטרופיזיקה באוניברסיטת פרינסטון ואחד הקוסמולוגים הבכירים ביותר בעולם. סְפֶּרגֶל הוא יו"ר ועדת הסקר העשר-שנתי של המועצה למחקר לאומי של ארה"ב בנושא קוסמולוגיה ופיזיקה יסודית, שהדוחות שלה ממלאים תפקיד חשוב בקביעת סדרי העדיפויות המחקריים בקוסמולוגיה לטווח ארוך. ידוע כי נאס"א מתייחסת ברצינות רבה להמלצות הוועדה, ומשמעות הדבר היא שיש לדבריו של סְפֶּרגֶל משקל רב בשאלה אילו משימות מדעיות הסוכנות תחליט לשגר.

כשהתיישבנו במשרדו של סְפֶּרגֶל, הוא התחיל לפרט את יתרונותיהם של גלי כבידה. בשונה ממה שקורה עם אור, הוא הסביר, היקום היה מאז ומעולם שקוף לגלי כבידה. לא היה שום עידן בראשיתי שבמהלכו הוסתרו הגלים האלה כתוצאה מתנאים קוסמיים מוזרים. אכן, לא אמורה להיות שום בעיה לגלי כבידה לרפרף לעברנו ממש מן הרגעים הראשונים שאחרי המפץ הגדול. אבל איך אנחנו יכולים לדעת אם היו קיימים גלים כאלה בזמנים ההם?

"כדי ליצור גלי כבידה, צריך להזיז המון חומר אנה ואנה במהירות גבוהה מאוד, ואחת הדרכים לעשות זאת היא באמצעות מעבר פאזה," אמר לי סְפֶּרגֶל. מעבר פאזה מתרחש כשמערכת פיזיקלית עוברת ממצב אחד למצב אחר. הדוגמה הקלאסית היא מים שקופאים לקרח, אבל יש גם מעברי פאזה בקני מידה קוסמיים, שחלקם התרחשו זמן מועט אחרי המפץ הגדול, למשל: קווארקים. מרבית הקווארקים בימינו כבולים בתוך גרעיני אטומים, אבל במיקרו-שניות הראשונות של היקום, הם קיפצו בחופשיות בכל כיוון במצב שהקוסמולוגים מכנים פלזמת קווארקים-גלואונים. בשלב מסוים, היקום עבר ממצב של פלזמת קווארקים-גלואונים למצב חדש המאוכלס בפרוטונים ובנויטרונים.

"במקרה של מעבר פאזה מסדר ראשון מן הסוג הזה, ייווצרו בועות בתוך הפלזמה, שיגרמו להרבה חומר לנוע בפראות בכל הכיוונים," אמר סְפֶּרגֶל. מעברי פאזה מסדר ראשון מתרחשים בפתאומיות, כשבועות של פאזה חדשה נוצרות בליבה של הפאזה הישנה. הבועות האלה מתפשטות ומתנגשות עד שהפאזה הישנה נעלמת לגמרי ומעבר הפאזה מסתיים. הכאוטיות של התהליך אמורה ליצור קבוצות של גלי כבידה רבי עוצמה, שאולי חולפים על פנינו ממש עכשיו. אם נוכל לזהותם, ייתכן שנזכה להצצה הראשונה שלנו בינקותו של היקום.

וייתכן שקיימים גלי כבידה עתיקים עוד יותר. בכמה מן המודלים האינפלציוניים של היקום, הפרץ הראשון של התפשטות קוסמית מעריכית התרחש בעת ובעונה אחת יחד עם תנודות קוונטיות של המרחב-זמן, אדוות שגרמו לאזורים מסוימים ביקום להתפשט מהר יותר מאחרים. התנודות האלה היו יכולות להפיק סוג מיוחד של גלי כבידה, המכונים גלי כבידה סְטוֹכַסְטיים, שהיו נוצרים כשגילו של היקום היה פחות מטריליונית של טריליונית של טריליונית השנייה.

"מרבית המודלים האינפלציוניים של היקום חוזים שקרינת הרקע הזאת, של גלי כבידה סְטוֹכַסְטיים, מגיעה מחלקים מוקדמים מאד של היקום," אמר לי סְפֶּרגֶל. "אם נוכל לצפות בהם, הם יוכלו להראות לנו פיזיקה יסודית. הם יראו לנו כיצד היקום נראה באנרגיות בקני מידה גדולים פי 1013 ממה שאנחנו מקבלים במאיץ ההדרונים הגדול," הוא אמר.

חיפוש אחר גלי כבידה סְטוֹכַסְטיים הוא הימור מדעי על כל הקופה. הזיהוי שלהם יהיה קשה מאוד. הוא ידרוש מכשור רגיש במיוחד וניתוח נתונים מפרך כדי לנפות את הגלים הבראשיתיים יקרי המציאות מתוך נחשולי אותות גלי כבידה שיפציצו כל גלאי המוצב בחלל. אם נוכל לאסוף את האות הזה מכל פינה ופינה בשמים ולנקות אותו מכל שיירי האותות התועים, נקבל קרינת רקע של גלי כבידה סְטוֹכַסְטיים, מפה חובקת-שמים של גלי כבידה. נקבל טקסט יסודי בקוסמולוגיה שנוכל להתעמק בו.

תכנון המשימה שנועד לממש את הרעיונות של LISA, וגם זה של האינטרפרומטר האטומי של סייף, מיועדים שניהם לזהות גלי כבידה ממטרות שמרניות יותר, כמו למשל מיזוגי חורים שחורים. בימים הרפתקניים יותר, חלמו המתכננים של LISA לבנות מצפה של המפץ הגדול, משימה שתבוא אחרי LISA ושתכוון במיוחד לזיהוי גלי כבידה סְטוֹכַסְטיים. אבל מצפה כזה היה מאז ומעולם הימור פרוע, שיעברו עשרות שנים עד שימומש בפועל. סייף אמר לי שהוא היה רוצה להפוך את סדר המשימות ולהתחיל בחיפוש גלי כבידה סְטוֹכַסְטיים, אבל התכנונים שלו מכוונים לאותם אותות ש-LISA מתכננת לחפש. הגישה השמרנית היא צעד דיפלומטי שנועד לרצות את הקהילה הרחבה יותר של אסטרופיזיקאים, שמדעי גלי הכבידה אכן מעוררים את סקרנותם, אבל הם היו מעדיפים להתחיל בקטן ולסמן כמטרה עצמים שכבר ידוע שהם אכן קיימים.

"התנגשויות בין חורים שחורים סופר-מסיביים הם 'הלחם והחמאה' של העבודה על ניסויים בגלי כבידה," אומר סְפֶּרגֶל. לדבריו, "אם נשגר את אחת החלליות האלה ולא נשמע חורים שחורים ענקיים מתנגשים, זה אומר שיש משהו מאוד שגוי בתמונת היקום שבידינו, אבל הפרס הגדול הוא הקוסמולוגיה."

ייתכן שבשלב מסוים ועדת הסקר העשר-שנתי של סְפֶּרגֶל תמצא את עצמה נאלצת לבחור בין חורים שחורים ובין קוסמולוגיה, ואולי גם בין אינטרפרומטריית אטומים ובין אינטרפרומטריית אור. הוועדה אמורה להתכנס מחדש באמצע העשור כדי להעריך את המסלול שקבעה ב-2010 ולהכניס בו תיקונים. הסקר הבא מן הסוג הזה ייערך אחרי ש-JWST כבר ישוגר, וייתכן שישתחררו כך כספים למטרת משימת מדעי חלל שאפתנית.

בצאתי ממשרדו של סְפֶּרגֶל, כשהוא ליווה אותי החוצה, שאלתי אותו אם יש לו מתמודד מועדף, אם הוא חושב שהמשימה של סייף תביס את LISA בטווח הארוך. הוא אמר לי שאין הוא משוכנע שהרעיון של אינטרפרומטריית אטומים ינצח בסופו של דבר, אבל הוא משוכנע שמדובר ברעיון מעניין שמצדיק השקעת מחשבה רבה. ואז הוא סיפר לי סיפור: "לפני שנים רבות, הרבה לפני זכייתו של סטיבן צ'ו בפרס נובל, שוחחתי עמו על השאלה מהי הדרך להגיע להישגים מדעיים גדולים, וצ'ו אמר לי דבר שנחרט בזיכרוני, הוא אמר שמה שצריך הוא לתפוס עמדה שמאפשרת לבצע ניסויים שעשויים להיות חשובים. אני סבור ששני הניסויים האלה עונים על התנאי הזה."

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

בקיצור

האסטרונומים עומדים על סִפו של עידן חדש. בקרוב הם יוכלו לצפות ביקום לא רק באמצעות גלי אור אלא גם באמצעות גלי כבידה.

גלי כבידה מאפשרים מבט אל תוך היקום שהיה חבוי מעינינו עד כה. הם יכולים לחשוף מה שמסתתר בתוך אופק האירועים של חור שחור ולאפשר הצצה ברגעים המוקדמים ביותר של היקום.

מצפים של גלי כבידה על פני כדור הארץ אמורים לגלות את תגליותיהם הראשונות בשנים הקרובות. מעבר לכך מתחולל קרב תרנגולים בין שתי טכנולוגיות שונות שעשויות להשתלב במצפה גלי כבידה בחלל.

על המחבר

רוס ד' אנדרסן (Andersen) הוא עורך בכיר בכתב העת המקוון Aeon. הוא כתב בהרחבה בנושאי מדע ופילוסופיה בכמה וכמה כתבי עת, בהם ה-Atlantic וה-Economist.

מצפים של גלי כבידה על פני כדור הארץ אמורים לגלות את תגליותיהם הראשונות בשנים הקרובות. מעבר לכך מתחולל קרב תרנגולים בין שתי טכנולוגיות שונות שעשויות להשתלב במצפה גלי כבידה בחלל.

כיצד זה פועל

היקום על פי גלי הכבידה

אלברט איינשטיין לימד אותנו שחומר ואנרגיה יכולים לכופף את מארג המרחב-זמן עצמו. אם תניעו די מסה, התנועה תיצור אדוות במרחב-זמן שירפרפו ברחבי היקום. גלי כבידה כאלה הם הדרך היחידה שבה אנחנו יכולים לצפות באירועים שאי אפשר לראות באמצעות אור: התנגשות בין שני חורים שחורים, למשל, או מהומת התנודות הקוונטיות שהתחוללה בננו-שניות שלאחר המפץ הגדול.

ואולם, זיהוי של הדים מן המפץ הגדול יהיה קשה להפליא לביצוע; רק מצפה חלל יוכל לעמוד במטלה כזאת. לשני הרעיונות המוצגים בעמוד הזה תהיה היכולת להאזין להדיו הראשונים של היקום.

אינטרפרומטר אטומים

גישה חדשה למדידת גלי כבידה תעשה שימוש בעננים של אטומים קרים מאוד השוכנים בדיוק מחוץ לשתי חלליות במרחק של 1,000 קילומטרים זו מזו. בשלב הראשון, קרני לייזר מכניסות כל ענן לסופרפוזיציה של שני חלקים, בעלי שתי מהירויות שונות. לאחר 10 שניות, קרן לייזר אחרת הופכת את התהליך על פניו, כך ששני החלקים מתחילים להתחבר מחדש. כשענני האטומים חופפים מחדש, הם נמדדים שוב על ידי עוד לייזרים. אם במהלך 20 השניות שנדרשות לתהליך הזה יחלוף גל כבידה במרחב שבין החלליות, הוא ישנה את המרחק שבין צמדי העננים בשיעור זעיר, ויחולל שינוי מדיד במצב הסופי של האטומים.

אינטרפרומטר לייזר

מצפי גלי כבידה רגילים, כמו המצפה הקרקעי LIGO שעובר כעת שדרוג במאמץ למצוא את גלי הכבידה הראשונים שלו, וכמו LISA, רעיון לפלטפורמה עתידית שתוצב בחלל, פועלים על ידי צירוף קרני לייזר. LIGO מפצל קרן לשני חלקים (A ו-B), הופך את הפאזה של אחד מהם, ואז שולח את הקרניים החוצה ובחזרה דרך זרועות מאונכות. (LISA פועלת פחות או יותר על פי אותו עיקרון, אבל היא משתמשת במשולש שווה צלעות במקום בזרועות מאונכות.) כשהקרניים משתלבות מחדש (בצהוב), הגלים אמורים לבטל זה את זה, כך שהקרן המתקבלת לבסוף תהיה אפלה. אבל אם גל כבידה משנה את האורך היחסי של הזרועות (בכחול), הגלים לא יתאימו זה לזה, ובקרניים המשולבות יופיעו פעימות שיחשפו את סודם של הגלים. אבל ההשפעה של גלי הכבידה זעירה: התנגשות של כוכב נויטרונים סמוך, למשל, תשנה את אורך הזרועות של LIGO, המשתרעות על פני ארבעה קילומטרים, בשיעור קטן יותר מקוטר של פרוטון. בעזרת זרועותיה של LISA, שאורכן חמישה מיליון קילומטרים, יהיה קל יותר להאזין לאותות עוד יותר קטנים.

אופקים קוסמיים

מה אנחנו מקווים למצוא

גלי כבידה מסוגלים לחצות גבולות שהאור אינו יכול לעבור. למשל, הם יכולים להעביר מידע בנוגע למה שמתרחש מעבר לאופק האירועים של חור שחור. גלי כבידה יכולים גם להגיח מעבר ל"קיר" של קרינת הרקע הקוסמית (CMB), מחסום האור שלנצח ימנע מאִתנו לראות את היקום לפני שהגיע לגיל 380,000 שנה. הם יעניקו לנו אוזניים המסוגלות להקשיב לכל פינה בקוסמוס.

עוד בנושא

Einstein’s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time. Marcia Bartusiak. Berkley Books, Penguin Putnam, 2000.

Gravitational Wave Detection with Atom Interferometry. Savas Dimopoulos et al. in Physics Letters B, Vol. 678, No. 1, pages 37-40; July 6, 2009.

LISA Project Office: http://lisa.nasa.gov

צפו בסרטון המדגים כיצד אינטרפרומטר אטומים מזהה גלי כבידה:

 

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

7 תגובות

  1. צריך לדייק בחשיבות של גלי הכבידה. קצת הגזימו בהם בכתבה זו, נכון שהם לא מופרעים כמו שהאור מופרע, אבל זה כמו לומר שבגלל שגלי הים לא מופרעים מכך שכדור הארץ הוא כדור הם מכילים יותר מידע מאור… כשהאמת שזה בכלל לא ככה, כי חוץ מאירועים בודדים כמו רעידת אדמה שיוצרת צונאמי גלי הים הם בעצם רעש שנוצר כתוצאה ממשבי רוחות או אירועים ססממיים שמתצטברים להם יחדיו להמולה גדולה של גלי ים. לא סימפוניה, אלא המולה.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן