רקע גלי כבידה (GWB): פריצת דרך בזיהוי ישיר

גל כבידה זוהה ישירות לראשונה בשנת 2015 לאחר מאה שנים של חיזוי על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין בשנת 1916. אבל, התדר הרציף והנמוך כוח משיכהרקע גל (GWB) שנחשב קיים לאורך כל עוֹלָם לא זוהה ישירות עד כה. החוקרים במצפה הכוכבים ננוהרץ בצפון אמריקה עבור גלי כבידה (NANOGrav) דיווחו לאחרונה על זיהוי של אות בתדר נמוך שיכול להיות 'רקע גלי כבידה (GWB)'.   

תורת היחסות הכללית שהעלה איינשטיין ב-1916 חוזה שאירועים קוסמיים גדולים כמו סופרנובה או מיזוג של חורים שחורים צריך לייצר גלי כבידה שמתפשטים דרך ה עולם. כדור הארץ צריך להיות שטוף גלי כבידה מכל הכיוונים כל הזמן, אך אלה אינם מזוהים מכיוון שהם הופכים חלשים ביותר עד שהם מגיעים לכדור הארץ. לקח כמאה שנה לבצע זיהוי ישיר של אדוות כבידה כאשר בשנת 2015 צוות LIGO-Virgo הצליח בזיהוי גלי כבידה מיוצר עקב מיזוג של שניים חורים שחורים ממוקם במרחק של 1.3 מיליארד שנות אור מכדור הארץ ⁽¹⁾. המשמעות היא גם שהגלים שזוהו היו נושאי מידע על האירוע הקוסמי שהתרחש לפני כ-1.3 מיליארד שנים.  

מאז הגילוי הראשון ב-2015, מספר לא מבוטל של אדוות כבידה נרשמו עד היום. רובם נבעו ממיזוג של שניים חורים שחורים, מעטים היו עקב התנגשות של שני כוכבי נויטרונים ⁽²⁾. הכל זוהה גלי כבידה עד כה היו אפיזודיים, שנגרמו עקב צמד בינארי של חורים שחורים או כוכבי נויטרונים שמסתחררים ומתמזגים או מתנגשים זה בזה ⁽³⁾ והיו בעלי תדירות גבוהה, אורך גל קצר (בטווח אלפיות השנייה).   

עם זאת, מכיוון שיש אפשרות למספר רב של מקורות של גלי כבידה ב עוֹלָם מכאן רבים גלי כבידה יחד מכל רחבי עוֹלָם עשוי לעבור ברציפות דרך כדור הארץ כל הזמן ויוצר רקע או רעש. זה צריך להיות רציף, אקראי ובתדירות נמוכה של גל קטן. ההערכה היא שייתכן שחלק ממנו אף מקורו במפץ הגדול. שקוראים לו כוח משיכה-גל ​​רקע (GWB), זה לא זוהה עד כה ⁽³⁾.  

אבל אולי אנחנו על סף פריצת דרך - החוקרים ממצפה ננוהרץ בצפון אמריקה עבור גלי כבידה (NANOGrav) דיווחו על זיהוי של אות בתדר נמוך שיכול להיות 'רקע גל כבידה (GWB) ^(4,5,6).  

בניגוד לצוות LIGO-virgo שזיהה גל כבידה מזוגות בודדים של חורים שחורים, צוות NANOGrav חיפש מתמיד, רעש כמו, 'משולב' גל כבידה נוצרו במשך פרק זמן ארוך מאוד על ידי אינספור חורים שחורים ב עוֹלָם. הדגש היה על 'אורך גל ארוך מאוד' גל כבידה בקצה השני של 'ספקטרום גלי הכבידה'.

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

צוות NANOGrav בחר מילי שניות פולסרים (MSP) המסתובבים במהירות רבה עם יציבות לטווח ארוך. יש תבנית קבועה של אור שמגיעה מהפעימות הללו שאמורה להשתנות על ידי גל הכבידה. הרעיון היה לצפות ולנטר אנסמבל של פולסרים אולטרה-יציבים של אלפית שנייה (MSP) עבור שינויים מתואמים בתזמון הגעת האותות לכדור הארץ ובכך ליצור "גלקסיגלאי גלי כבידה בגודל" בתוך שלנו גלקסיה. הצוות יצר מערך תזמון פולסר על ידי לימוד 47 פולסרים כאלה. מצפה הכוכבים של ארסיבו וטלסקופ גרין בנק היו אלה רָדִיוֹ טלסקופים המשמשים 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 ללמוד את עוֹלָם, מדענים היו תלויים באופן בלעדי בקרינה אלקטרומגנטית כמו אור, רנטגן, רָדִיוֹ גל וכו'. בהיותו לא קשור לחלוטין לקרינה אלקטרומגנטית, זיהוי של כבידה בשנת 2015 פתח חלון הזדמנויות חדש למדענים לחקור גרמי שמים ולהבין את עוֹלָם במיוחד אותם אירועים שמימיים שאינם נראים לאסטרונומים אלקטרומגנטיים. יתר על כן, בניגוד לקרינה אלקטרומגנטית, גלי כבידה אינם מקיימים אינטראקציה עם החומר ולכן נעים כמעט ללא הפרעה ונושאים מידע על מקורם ומקורם ללא כל עיוות.⁽³⁾

זיהוי של רקע גלי כבידה (GWB) ירחיב את ההזדמנות עוד יותר. אולי אפילו יהיה אפשרי לזהות את הגלים שנוצרו מהמפץ הגדול, מה שעשוי לעזור לנו להבין את מקורם עוֹלָם בצורה טובה יותר.

***

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  

***