אסטרונומיית גלי כבידה

אסטרונומית גלי כבידה היא תחום חדש יחסית של האסטרונומיה התצפיתית שמטרתו להשתמש בגלי כבידה כדי לאסוף נתונים על גופים רחוקים כגון כוכבי ניטרונים וחורים שחורים, על סופרנובות ועל תהליכים שונים שקרו שברירי שנייה לאחר המפץ הגדול.

מערכות בינאריות המורכבת משני עצמים אסטרונומיים אשר נעים במסלול סביב נקודת מרכז המסה של המערכת הן מקור חשוב לאסטרונומיית  גלי כבידה. בזמן סיבוב העצמים במערכת הכבידתית נפלטים גלי כבידה, אשר גורמים למערכת לאבד אנרגיה ותאוצה, וכתוצאה מכך רדיוס הסיבוב של המסלול בו מסתובבים העצמים מתכווץ. כאן מוצגת מערכת בינארית המורכבת משני ננסים לבנים, מקור חשוב לגלאים המיועדים לחקר החלל כמו LISA. המיזוג הסופי של הננסים הלבנים יכול לגרום לסופרנובה, המוצגת בתמונה השלישית כפיצוץ.

תורת היחסות של איינשטיין ניבאה את קיומם של גלי הכבידה עוד בשנת 1915. גלי הכבידה התגלו לראשונה מאה שנה לאחר ניבויו של איינשטיין, בספטמבר 2015, על ידי LIGO ו- Virgo.

איסוף מידע בעזרת גלי כבידה

ישנן דרכים שונות לקלוט גלי כבידה, וישנם גלאים הקולטים גלי כבידה בתדירויות שונות, ובכך מאפשרים לנו לאסוף נתונים מספקטרום רחב של גלי כבידה.

גלי כבידה בתדירות גבוהה, 10 הרץ עד 10 קילו הרץ

גלי כבידה בעלי תדירות גבוהה (10 הרץ עד 10 קילו הרץ) נצפים כיום במספר מכונים המפוזרים ברחבי כדור הארץ: LIGO בארצות הברית המשתמש בשני אינטרפרומטרים באורך של ארבעה קילומטרים, Virgo האיטלקי-צרפתי שמשתמש באינטרפרומטרים באורך 3 קילומטר, 600 GEO המשתמש באינטרפרומטרים באורך 600 מטר,KAGARA היפני עם אינטרפרומטרים באורך 3 קילומטר.

גלי הכבידה התגלו לראשונה בתדירות זו במכון LIGO בשנת 2015.

דרך נוספת לקלוט גלי כבידה היא בעזרת אנטנות תהודתיות, דרך זו הומצאה על ידי הפיזיקאי האמריקאי ג'וסף וובר בשנות השישים.

גלי כבידה בתדירות נמוכה, תדירות הקטנה ממיקרו הרץ

דרך נוספת לקליטת גלי כבידה היא בעזרת מערך תזמון פולסרים. שלושה מכונים- EPTA, NANOgrav, PPTA, פועלים בשיתוף פעולה כדי לקלוט גלי כבידה בעזרת פולסרים. מכונים אלה משתמשים בטלסקופי רדיו קיימים, אך מפני שטלסקופים אלה קולטים תדירויות של ננו-הרצים לוקח זמן רב מאוד כדי לזהות אות.

גלי כבידה בתדירות בינונית, מיקרו הרץ עד 10 הרץ

כיום אין עדיין דרכים לקלוט גלי כבידה בתדירויות בינוניות. סוכנות החלל האירופאית עובדת על הפרויקט eLISA, זו היא אנטנת חלל שתוכל לקלוט גלי כבידה בתדירויות אלו. בנוסף, ביפן עובדים על הפרויקט DECIGO שיוכל לקלוט גלי כבידה בתדירויות אלו.

ערך מדעי

עד היום האסטרונומיה ברובה התבססה על אספת נתונים מהספקטרום האלקטרומגנטי. כל פעם שמצאו דרך לקלוט תדירויות חדשות מהספקטרום האלקטרומגנטי הידע שלנו על היקום התרחב רבות. במאה ה-20, כאשר הצליחו לקלוט ניוטרינים נפתח תחום חדש באסטרונומיה, אסטרונומיה ניוטרינית, תחום זה הרחיב את ההבנה שלנו על ליבת השמש ועל התהליכים השונים שמתרחשים בשמש. גילוי גלי הכבידה, כמו כל גילוי באסטרונומיה עד כה, ישמש ככלי לאיסוף נתונים חדשים על היקום.

גלי כבידה הם מקור מצוין לאיסוף נתונים מפני שהם כמעט ולא מבצעים אינטראקציות עם עצמים לכן ניתן לקלוט אותם עם הפרעות מינימליות. מצד שני, העובדה שהם כמעט ולא מבצעים אינטראקציות עם עצמים גורמת לכך שקשה לקלוט אותם.

אסטרונומיה של גלי כבידה היא שונה בתכליתה מאסטרונומיה המבוססת על גלים אלקטרומגנטים, כיוון שניתוח של גלי כבידה מגלה לנו יותר "צליל" מאשר "תמונה", לא ממש אוסף של נתונים שונים אלא גל מורכב והרמוני. אם אור מראה לנו את הצורה של הגוף והמבנה שלו, גלי כבידה יספקו לנו מידע אודות האירועים שכתוצאה מהם הם נוצרו. לכן, גלי כבידה נושאים מידע שאנו לא יכולים להשיג בדרכים אחרות - כגון מידע על זרימה של חומר בליבה של סופרנובה, או על תכונות החומר של כוכבי נייטרונים מתמזגים. גלי כבידה נושאים מידע על אזורים בחלל שאחרת היו נסתרים, או נגישים רק בצורה עקיפה דרך סימולציות מחשב.

גלי הכבידה מאוד חשובים ככלי חדש לראיית היקום מפני ששילוב הנתונים שיאספו מגלאי הכבידה עם נתונים שנאספו בדרכים אחרות, כמו ניוטרינים והספקטרום האלקטרומגנטי, הולכים ללמד אותנו עוד הרבה תגליות חדשות על חורים שחורים, חומר אפל ואפילו על היווצרות היקום.

סוכנות החלל האירופאית עובדת כיום על הפרויקט eLisa שאמור לצאת לפועל ב-2034, אנטנת חלל זו כנראה תוכל לאסוף נתוני על התפתחותם של חורים שחורים וגלקסיות. נתונים אלו יכולים לעזרו לנו להבין כיצד חומר אפל מתנהג, ואפילו לאשש את התאוריה כי גלקסיות מתפתחות מסביב לחורי חומר אפל.

ייתכן שבעזרת ניתוח קרינת הרקע הקוסמית יהיה אפשר לגלות גלי כבידה מהרגעים הראשונים של היקום ובעזרתם ללמוד על היווצרותו.

התפתחות

אסטרונומית גלי כבידה היא תחום חדש יחסית ולכן תחום זה עוד מתפתח. יכולותינו בקליטת גלי כבידה עוד מאוד מוגבלות אבל בעתיד הקרוב יחסית תהייה לנו את הטכנולוגיה הדרושה. רוב האסטרופיזיקאים כיום מאמינים שאסטרונומית גלי כבידה תהייה חלק חשוב מאוד מהאסטרונומיה של המאה ה-21.

קישורים חיצוניים

• The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic gravitational wave background באתר החברה המלכותית לאסטרונומיה, 19 בינואר 2022.