גלי כבידה: תופעה פיזיקלית

גלי כבידה הם מונח של תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, והתפשטותם מתוארת על ידי משוואות איינשטיין. איינשטיין הסיק את קיומם עם פיתוח תורת היחסות הכללית במאמרים מ־1916 ו־1918 (אנ'), אך סבר שהם יהיו חלשים מכדי להימדד אי פעם. עדות עקיפה לקיומם התקבלה ב־1974 (להלן). בפברואר 2016 הכריזו מדענים אמריקאים על תגלית גלי הכבידה שהן ראיות מבוססות לקיומם של גלי כבידה ביקום. נכון ל-2022, התגלו גלי כבידה בעשרות אירועים שונים.

על פי תורה היחסות הכללית, גלי כבידה נוצרים על ידי תנועה של מקורות של שדה הכבידה. דוגמה אופיינית למערכת שצפוי כי תייצר גלי כבידה היא מערכת בינארית של כוכבים (או מערכות מורכבות יותר, אפילו גלקסיות), אשר סובבים סביב מרכז המסה של המערכת. באופן כללי עוצמתם של גלי כבידה צפויה להיות חלשה מאוד, אולם כאשר מדובר בתנועה במהירויות הקרובות למהירות האור, בין גופים אסטרונומיים קומפקטיים, מאסיביים מאוד וקרובים מאוד זה לזה, כגון צמד של חורים שחורים, כוכבי נייטרונים או ננסים לבנים, ייצרו תוך כדי הקפתם ההדדית קרינת כבידה חזקה דיה כך שעל אף מרחקם הגדול ממערכת השמש שלנו, ניתן יהיה למדוד אותה בסביבת כדור הארץ, באופן ישיר, באמצעים טכנולוגיים מתאימים.

המשוואה המתארת יצירת גלי כבידה היא נוסחת הקוואדרופול של איינשטיין:

${\displaystyle {\bar {h}}_{ij}(t,r)={\frac {2G}{c^{4}r}}{\ddot {I}}_{ij}(t-r/c),}$ 

כאשר ${\displaystyle {\bar {h}}_{ij}}$  מתאר את גל הכבידה (זהו החלק המרחבי של ההפרעה המטרית, בהצגה בכיול trace reversed) וכאשר ${\displaystyle I_{ij}}$  הוא מומנט הקוואדרופול של המסה של המערכת. בהתאם, האנרגיה המשתחררת כגלי כבידה ממערכת נתונה על ידי המשוואה

${\displaystyle {\frac {dE}{dt}}={\frac {c^{3}}{16\pi G}}\iint {\dot {h}}^{2}dS={\frac {1}{5}}{\frac {G}{c^{5}}}\sum _{i=1,j=1}^{3}{\frac {d^{3}{I}_{ij}}{dt^{3}}}{\frac {d^{3}{I}_{ij}}{dt^{3}}}}$ 

המונח גלי כבידה שימש בעבר בעיקר לתיאור גלים משטחיים על פני נוזל בהשפעת כוח הכבידה - אדוות, תופעה לא־יחסותית, המכונה באנגלית Gravity Wave. המונח האנגלי לגלים במרחב הזמן־חלל המתוארים בתורת היחסות הכללית הוא Gravitational Wave, שיש לתרגם גלים כבידתיים או גלים גרביטציוניים (או קרינה כבידתית או קרינה גרביטציונית). אף על פי כן, המונח גלי כבידה נפוץ גם לתיאור תופעה זו.

LIGO

  ערך מורחב – LIGO

LIGO (ראשי תיבות של Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) הוא פרויקט משותף של המכון הטכנולוגי של קליפורניה, המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ועוד אוניברסיטאות רבות, הוא הפרויקט היקר ביותר של הקרן הלאומית למדע (נכון לשנת 2002, עם השקעה של כ-365 מיליון דולר). מטרתו למדוד גלי כבידה באופן ישיר. צמד גלאי הענק ששימש בפרויקט בין השנים 2002–2010 פורק לאחר שלא גילה סימן לקיומם של גלי כבידה.

צמד של גלאים רגישים יותר (Advanced LIGO) הופעל בספטמבר 2015. ב־11 בפברואר 2016 הכריזו ראשי התוכנית כי עמדו במשימתם וגילו את גלי הכבידה.

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2017 הוענק לשלושה ממדעני LIGO, ריינר וייס, בארי בריש וקיפ תורן, על תרומתם המכרעת בפרויקט LIGO ועל זיהוי גלי הכבידה. זאת פעם ראשונה בהיסטוריה שפרס נובל בתחומים המדעיים (פיזיקה, כימיה וכן פיזיולוגיה או רפואה) מוענק בתוך פרק זמן כה קצר מרגע התגלית שעליה הוא מוענק (התגלית התרחשה ב־15 ביוני 2016, פחות משנתיים מרגע התרחשותה ועד לפרס). על פי רוב, הפרסים בתחומים המדעיים מוענקים עשרות שנים לאחר התרחשות התגלית או ההישג.

eLISA

בפרויקט LISA המקורי (ראשי תיבות של Laser Interferometer Space Antenna) שהיה משותף ל-NASA ולסוכנות החלל האירופית תוכננה הצבת אינטרפרומטר חללי במערך שהיה אמור להיות מורכב משלוש חלליות נושאות לייזרים וגלאים, במבנה משולש כשהמרחק ביניהן עומד על כ־2.5 מיליון ק"מ לשם יצירת אינטרפרומטר ענק שאורך זרועותיו בהתאם. הפרויקט בוטל עם הודעתה של NASA באפריל 2011 על פרישתה מהפרויקט מסיבות תקציביות. עקב כך נערכה סוכנות החלל האירופית לפרויקט חדש וצנוע יותר המכונה eLISA (ראשי תיבות של Evolved Laser Interferometer Space Antenna), הגשושית שוגרה בהצלחה ב־2015, והשלימה משימות המחקר במהלך שנת 2016. ביוני 2017 לאחר שפורסם כי תוצאות המשימה עלו על המצופה אושרה תוכנית LISA המקורית ליציאה למכרזים ראשוניים ונקבע יעד לעשור 2030 להפעלת מצפה גלי כבידה בחלל.

Einstein@Home

פרויקט Einstein@Home משתמש בטכנולוגיית חישוב מבוזר קהילתי בשם (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC. הפרויקט מחפש גלי כבידה שמקורם בפולסרים באמצעות סקירת מידע שנאסף בעבר בפרויקט LIGO.

עדות בלתי ישירה לקיומם של גלי כבידה התקבלה ב־1974 מתוך זיהוי עליה בתדירות הסיבוב של צמד כוכבי נייטרונים, דבר היכול להעיד על מערכת המאבדת אנרגיה באמצעות פליטתה כגלי כבידה. על תגלית זו זכו בפרס נובל ראסל הולס וג'וזף טיילור ב־1993.

במרץ 2014 פורסמו תוצאות מדידות של הטלסקופ BICEP (אנ') העשויות להצביע בעקיפין על קיומם של גלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. אחר בדיקה מחודשת של התוצאות פורסם באוקטובר 2014 כי ככל הנראה נפלו טעויות בהערכת הממצאים, וכי לא ניתן לייחס למדידות אלו את קיומם של גלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. הבהרה של מהות הממצאים התפרסמה על ידי צוות לוויין החלל האירופאי Planck באוקטובר 2014.

 

  ערך מורחב – תגלית גלי הכבידה

ב־11 בפברואר 2016, הודיע צוות פרויקט LIGO כי הם איתרו אות של גלי כבידה. האות נקלט ב־14 בספטמבר 2015, בשעה 10:51 UTC. גלי הכבידה היו תוצאה של התנגשות של שני חורים שחורים, שכל אחד מהם בעל מסה של כ־30 מסות שמש, וקוטר של כ־150 ק"מ. הגופים הללו הקיפו מרכז מסה משותף (בדומה לפולסר זוגי), אולם במקרה הזה הם התקרבו זה לזה עד שהתאחדו לחור שחור אחד. התגלית קיבלה את הסימון GW150914, קיצור של: Gravitational Wave 2015-09-14.

אירוע נוסף נקלט בגלאים ב־12 באוקטובר 2015, ודווח לצד הגילוי הראשון בפברואר 2016 ובסיכום ההרצה הראשונית. המובהקות שלו נחשבת נמוכה מסף הגילוי הודאי, ועל־כן הוא נקרא LIGO VIRGO Trigger ומסומן LVT151012, במקום סימון GW. גם מקורו של אירוע זה בהתמזגות שני חורים שחורים.

ב־15 ביוני 2016, מדעני LIGO הודיעו כי הצליחו לזהות אירוע נוסף של גילוי גלי כבידה. האות נקלט ב־26 בדצמבר 2015, בשעה 3:38 (UTC). אירוע זה התרחש בעקבות מיזוג של שני חורים שחורים, בעלי מסות של 14.2 מסות שמש ו־7.5 מסות שמש, במרחק של 1.4 מיליארד שנות אור. תגלית זו קיבלה את הסימון GW151226

בריצת התצפית השנייה (O2) של גלאי LIGO נקלט אירוע רביעי, ב־4 בינואר 2017, בו התמזגו שני חורים שחורים במסות 31 ו־19 מסות שמש, ובמרחק של כ־2.9 מיליארד שנות אור. האירוע סומן GW170104, והתפרסם ב־1 ביוני 2017

• אסטרונומיית גלי כבידה

  מדיה וקבצים בנושא גלי כבידה בוויקישיתוף

• רוס ד' אנדרסן, ‏אוזן קשבת למפץ הגדול, במדור סיינטיפיק אמריקן של מכון דוידסון, 5 בפברואר 2014
• אבי בליזובסקי, ‏עדות ישירה ראשונה לקיומם של גלי כבידה שגרמו ליקום להתנפח מיד לאחר המפץ הגדול, באתר "הידען", 18 במרץ 2014
• דר. גלי ויינשטיין, ‏אינפלציה, גלי כבידה וקרינת הרקע הקוסמית: תיאוריה ואימות ניסויי, באתר "הידען", 20 במרץ 2014
• הודעה לתקשורת של LIGO על גילוי גלי כבידה בפברואר 2016 (עברית) http://www.ligo.org/detections/GW150914/press-release/hebrew.pdf
• דנה ברעם, ‏האם נמצאו גלי הכבידה?, באתר "הידען", 11 בפברואר 2016
• אבי בליזובסקי, ‏הוכחה לתורת היחסות הכללית של איינשטיין: "גילוי גלי הכבידה פותח לנו חלון חדש ליקום", באתר "הידען", 11 בפברואר 2016
• חגי אדרי, מכון ויצמן למדע, ‏עדויות ראשונות לגילוי גלי כבידה, באתר "הידען", 12 בפברואר 2016
• מדוע גילוי גלי הכבידה כה חשוב, באתר סוכנות החלל הישראלית, 11 בפברואר 2016
• מהומה רבה על גלי מאומה (FAQ's על גילוי גלי כבידה בבלוג "רשימות בפיזיקה עיונית")
• Gravitational Waves Explained Using Stick Figures - סרטון הסבר על גלי כבידה (באנגלית)  
•   סיפורם של גלי הכבידה בתוכנית "החללית", סרטון באתר יוטיוב
• אבי בליזובסקי, ‏גלי הכבידה: התגלית החשובה ביותר של 2016 לפי עורכי המגזין סיינס, באתר "הידען", 31 בדצמבר 2016
• קתרין רייט, ‏גלאי חדש יקבע את מקורם של גלי כבידה, במדור סיינטיפיק אמריקן של מכון דוידסון, 28 במאי 2017
• אבי בליזובסקי, ‏התגלה אירוע שלישי של גלי כבידה; מאשר את קיומו של סוג חדש של חורים שחורים, באתר "הידען", 5 ביוני 2017
• עודד כרמלי, נמדדו גלי כבידה מהתנגשות שני חורים שחורים, באתר סוכנות החלל הישראלית, 28 בספטמבר 2017
• אבי בליזובסקי, ‏שיתוף פעולה בין שלושה מצפים הביא לגילוי נוסף של גלי כבידה, באתר "הידען", 1 באוקטובר 2017
• ד"ר אבישי גילקיס, ציידי הגלים הכבידתיים, באתר מדע גדול, בקטנה, 12 באוקטובר 2019
• summary/gravitational-wave גלי כבידה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   גלים כובדיים, דף שער בספרייה הלאומית