רקע גלי כבידה (GWB): פריצת דרך בזיהוי ישיר

גל כבידה זוהה ישירות לראשונה בשנת 2015, לאחר מאה שנה של ניבויו על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין בשנת 1916. אולם, גלי הרקע (GWB) הרציפים בתדר נמוך, אשר נחשבים כקיימים ברחבי היקום , לא זוהה ישירות עד כה. חוקרים במצפה הננו-הרץ של צפון אמריקה לגלי כבידה (NANOGrav) דיווחו לאחרונה על זיהוי של אות בתדר נמוך שיכול להיות 'רקע גלי כבידה (GWB)'.

תורת היחסות הכללית, שהוצעה על ידי איינשטיין בשנת 1916, צופה כי אירועים קוסמיים גדולים כמו סופרנובה או מיזוג של חורים שחורים ייצרו גלי כבידה שמתפשטים ברחבי היקום . כדור הארץ אמור להיות מוצף בגלי כבידה מכל הכיוונים כל הזמן, אך אלה אינם מתגלים מכיוון שהם הופכים לחלשים ביותר עד שהם מגיעים לכדור הארץ. לקח כמאה שנה לבצע זיהוי ישיר של אדוות כבידה כאשר בשנת 2015 צוות LIGO-Virgo הצליח לזהות גלי כבידה שנוצרו עקב מיזוג של שני חורים שחורים הממוקמים במרחק של 1.3 מיליארד שנות אור מכדור הארץ ⁽¹⁾ . משמעות הדבר היא גם שהאדות שזוהו היו נושאות מידע על האירוע הקוסמי שהתרחש לפני כ-1.3 מיליארד שנים.

מאז הגילוי הראשון בשנת 2015, נרשמו עד היום מספר רב של גלי כבידה . רובם נבעו ממיזוג של שני חורים שחורים , ומעטים נבעו מהתנגשות של שני כוכבי נויטרונים ⁽²⁾ . כל גלי הכבידה שזוהו עד כה היו אפיזודיים, נגרמו עקב ספירלה של זוג בינארי של חורים שחורים או כוכבי נויטרונים המסתובבים ומתמזגים או מתנגשים זה בזה ⁽³⁾ והיו בתדירות גבוהה ואורך גל קצר (בטווח מילישניות).

עם זאת, מכיוון שקיימת אפשרות למספר רב של מקורות גלי כבידה ביקום , לכן גלי כבידה רבים מכל רחבי היקום עשויים לעבור ברציפות דרך כדור הארץ כל הזמן ויוצרים רקע או רעש. זה אמור להיות רציף, אקראי ובעל גל קטן בתדר נמוך. ההערכה היא שחלק ממנו עשוי אף לנבוע מהמפץ הגדול. זה נקרא רקע גלי כבידה (GWB), והוא לא זוהה עד כה ⁽³⁾.

אבל ייתכן שאנחנו על סף פריצת דרך – החוקרים במצפה הננו-הרץ של צפון אמריקה לגלי כבידה (NANOGrav) דיווחו על זיהוי של אות בתדר נמוך שיכול להיות 'רקע גלי כבידה' (GWB) ^(4,5,6).

בניגוד לצוות LIGO-virgo שזיהה גלי כבידה מזוגות בודדים של חורים שחורים , צוות NANOGrav חיפש גל כבידה "משולב" דמוי רעש, מתמשך, שנוצר במשך תקופה ארוכה מאוד על ידי אינספור חורים שחורים ביקום . המוקד היה על גל כבידה "ארוך מאוד" בקצה השני של "ספקטרום גלי הכבידה".

בניגוד לאור וקרנות אלקטרומגנטיות אחרות, לא ניתן לצפות בגלי הכבידה ישירות באמצעות טלסקופ.  

צוות NANOGrav בחר בפולסרים בעלי מילי-שנייה (MSP) שמסתובבים במהירות רבה ובעלי יציבות ארוכת טווח. יש דפוס קבוע של אור המגיע מפולסים אלה, אשר אמור להשתנות על ידי גל הכבידה. הרעיון היה לצפות ולנטר אנסמבל של פולסרים בעלי מילי-שנייה (MSP) יציבים במיוחד, לצורך שינויים מתואמים בתזמון הגעת האותות לכדור הארץ, ובכך ליצור גלאי גלי כבידה " בגודל גלקסיה " בתוך הגלקסיה שלנו . הצוות יצר מערך תזמון פולסרים על ידי לימוד 47 פולסרים כאלה. מצפה הכוכבים ארסיבו וטלסקופ גרין בנק היו טלסקופי הרדיו ששימשו למדידות.

מערך הנתונים שהושג עד כה כולל 47 MSPs ולמעלה מ-12.5 שנים של תצפיות. בהתבסס על זה, לא ניתן להוכיח סופית זיהוי ישיר של GWB אם כי האותות שזוהו בתדר נמוך מאוד מעידים על כך. אולי, השלב הבא יהיה לכלול יותר פולסרים במערך וללמוד אותם לפרק זמן ארוך יותר כדי לשפר את הרגישות.  

כדי לחקור את היקום , מדענים היו תלויים אך ורק בקרינה אלקטרומגנטית כמו אור, קרני רנטגן, גלי רדיו וכו'. בהיותה בלתי קשורה לחלוטין לקרינה אלקטרומגנטית, גילוי כוח הכבידה בשנת 2015 פתח חלון הזדמנויות חדש למדענים לחקור גופים שמימיים ולהבין את היקום , במיוחד אירועים שמימיים שאינם נראים לאסטרונומים אלקטרומגנטיים. יתר על כן, בניגוד לקרינה אלקטרומגנטית, גלי כבידה אינם מקיימים אינטראקציה עם חומר ולכן נעים כמעט ללא הפרעה כשהם נושאים מידע על מקורם וללא כל עיוות. ⁽³⁾

גילוי גלי רקע כבידה (GWB) ירחיב עוד יותר את ההזדמנות. ייתכן שאף ניתן יהיה לזהות את הגלים שנוצרו מהמפץ הגדול, מה שעשוי לעזור לנו להבין טוב יותר את מקור היקום .

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121

***

הפניות:  

1. Castelvecchi D. and Witze A.,2016. גלי הכבידה של איינשטיין נמצאו סוף סוף. חדשות הטבע 11 בפברואר 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. מה 50 אירועי גלי כבידה מגלים על היקום. חדשות הטבע פורסם ב-30 באוקטובר 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. מקורות וסוגים של גלי כבידה. זמין באינטרנט ב https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources נגיש ב-12 בינואר 2021. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021. NANOGrav מוצא 'רמזים ראשונים' אפשריים לרקע גלי כבידה בתדר נמוך. זמין באינטרנט ב http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html נגיש ב-12 בינואר 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021. תדרוך עיתונאים - חיפוש אחר רקע הכבידה ב-12.5 שנים של NANOGrav Data. 11 בינואר 2021. זמין באינטרנט ב http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. מערך הנתונים של NANOGrav 12.5 שנים: חפש רקע איזוטרופי סטוכסטי של גל כבידה. The Astrophysical Journal Letters, כרך 905, מספר 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***