גלי כבידה

‘‘גל כבידה’’ הוא הפרעה בעקומיות המרחב‑זמן שנעה במרחב. המושג מגיע מתורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. איינשטיין ניבא את קיומם כבר במאמרים של 1916 ו־1918, אך חש שהם חלשים מדי להימדד. עדות עקיפה התקבלה ב־1974. בדצמבר 2015 נקלטו אותות שנקשרו לגלי כבידה, וההכרזה הרשמית על גילוי ישיר פורסמה ב־11 בפברואר 2016. נכון ל־2022 זוהו עשרות אירועים של גלי כבידה.

על פי תורת היחסות הכללית, גלי כבידה נוצרים כאשר המערכת שמשכה כבידה שלה משתנה בזמן. דוגמה טיפוסית היא מערכת בינארית, שני כוכבים או חורים שחורים שמקיפים זה את זה. כשהגופים מאוד מסיביים, קומפקטיים וקרובים, ותנועתם מהירה מאוד, הם יכולים לפלוט קרינת כבידה חזקה שניתנת לגילוי מרחוק.

הצורה המתמטית של התופעה מתוארת במשוואת הקוואדרופול של איינשטיין. מומנט הקוואדרופול הוא מדד לתפלגות המסה במערכת. במשוואה מופיע הקשר בין השינוי בזמן של מדד זה לבין עוצמת גל הכבידה שמגיע אלינו.

במקור האנגלי מקובל המונח "gravitational waves". בעבר השתמשו גם ב"gravity waves" לתיאור גלים על פני נוזלים, ולכן מתרגמים גם ל"גלים כבידתיים" או "גלים גרביטציוניים". בכל זאת, בעברית המונח "גלי כבידה" נפוץ.

LIGO (מצפה אינטרפרומטרי לקרינת כבידה) הוא פרויקט גדול שמטרתו למדוד גלי כבידה ישירות. מערך הגלאים המקורי לא מצא אות חד משמעי בשנים הראשונות. הגרסה המשודרגת, Advanced LIGO, הופעלה בספטמבר 2015. ב־11 בפברואר 2016 הכריזו חוקרי LIGO על גילוי גלי כבידה, בהתבסס על אות שהתקבל ב־14 בספטמבר 2015. על תרומה זו הוענק פרס נובל לפיזיקה ב־2017 לשלושה מדענים מרכזיים בפרויקט.

LISA תוכננה כמצפה באוויר (חלל) המורכב משלוש חלליות באורך זרועות עצום, אך NASA פרשה ב־2011. סוכנות החלל האירופית המשיכה בפרויקט מצומצם בשם eLISA. בשנת 2015 שוגרה גשושית בדיקות, ותוצאותיה ב־2016 היו עודדו את התכנון לחזרה לפרויקט LISA במתכונת רחבה יותר, עם יעד תפעולי בשנות ה־30 של המאה ה־21.

Einstein@Home משתמש בחישוב מבוזר (BOINC) כדי לנתח נתוני LIGO ולחפש אותות, בעיקר ממקורות כמו פולסרים. זה מאפשר לאנשים לתרום כוח מחשוב למחקר.

ב־1974 נמצא צמד כוכבי נייטרונים שנחלש קצב הסיבוב שלו, מה שהתאים לאובדן אנרגיה כגלי כבידה. על גילוי זה זכו הולס וטיילור בפרס נובל ב־1993. ב־2014 דווחו תוצאות מניסוי BICEP שעשויות היו להצביע על גלי כבידה מתקופת ההתחלה של היקום, אך בדיקה נוספת הראתה שהממצאים לא חזקים כפי שנדמה בתחילה.

האות GW150914 התקבל ב־14 בספטמבר 2015. הוא נגרם מהמיזוג של שני חורים שחורים, כ־30 מסות שמש כל אחד, שכל אחד מהם בקוטר משוער של כ־150 ק״מ. הם התקרבו והתאחדו לחור שחור אחד. אירוע נוסף, בעל חשיבות נמוכה יותר, נקלט ב־12 באוקטובר 2015 ותויג LVT151012. אירוע נוסף הודגם כ־GW151226, אות שנקלט ב־26 בדצמבר 2015, ונבע ממיזוג חורים שחורים של מסות 14.2 ו־7.5 מסות שמש, במרחק של כ־1.4 מיליארד שנות אור. בריצת התצפית השנייה זוהה גם האירוע GW170104 ב־4 בינואר 2017, עם חורים שחורים של 31 ו־19 מסות שמש, במרחק של כ־2.9 מיליארד שנות אור.

גל כבידה הוא גל שקורה בעקומות המרחב והזמן. ככה מתאר איינשטיין את הדבר הזה מאז 1916. הוא חשב שהגלים יהיו חלשים וקשים מאוד למדידה. ב־1974 ראו סימנים שלא ממדדו ישירות. ב־2015 נמדדו אותות ישירים, וההכרזה על כך נעשתה בפברואר 2016.

גלי כבידה נוצרים כשגופים גדולים נעים מאוד חזק. מי שמייצר גלים אלה הם שני כוכבים או חורים שחורים שמסתובבים זה סביב זה. כשהם קרובים ומאסיביים הם שולחים גל חזק מספיק כדי שנרגיש אותו מרחוק.

באנגלית קוראים לזה "gravitational waves". יש גם מונח דומה שמתאר גלים במים. לעתים קוראים לזה גם "גלים גרביטציוניים".

LIGO הוא ניסוי גדול על כדור הארץ. הוא משתמש בלייזרים ומראות כדי למדוד תזוזות קטנטנות מאוד. בשיפוץ שלו ב־2015 הוא הצליח למדוד גל. שלושה מדענים מקבוצת LIGO קיבלו את פרס נובל ב־2017.

LISA היא תוכנית לשים גלאים בחלל על שלוש חלליות. NASA פרשה, וסוכנות החלל האירופית המשיכה עם גרסה קטנה בשם eLISA. שיגור בדיקות בוצע ב־2015.

Einstein@Home הוא פרויקט שמאפשר לאנשים לתרום כוח מחשב. מחשבים אלו עוזרים לחפש אותות בגלי כבידה.

בשנת 1974 ראו שינוי בתנועה של צמד כוכבים. זה מתאים לרעיון שהם מאבדים אנרגיה בגלי כבידה. על כך קיבלו פרס נובל ב־1993.

האות הראשון שקיבלו נקרא GW150914. הוא נוצר כאשר התאחדו שני חורים שחורים. כל אחד מהם היה כ־30 פעמים מסתה של השמש. אירועים נוספים נקלטו ב־2015 ו־2016, כולל GW151226 ו־GW170104. אלה התרחשו במרחקים עצומים מהארץ.