הפרס יחולק בין שלושה מחלוצי הקמתו של גלאי LIGO, שזיהה אשתקד את הגלים

פרס נובל בפיזיקה 2017 יוענק לשלושה מדענים מגלאי LIGO/VIRGO על גילוי הגלים הכבידתיים. מחצית הפרס תוענק לריינר וייס מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) והמחצית השנייה תחולק בין בארי בריש וקיפ תורן, שניהם מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה.

 אלברט איינשטיין חזה את קיומם של גלים כבידתיים כבר בתורת היחסות הכללית ב-1916. לפי איינשטיין, היקום הוא מארג של מרחב-זמן, וכך גוף שנע במארג הזה גורם בו לתנודות של שדה הכבידה – כלומר גלים כבידתיים. אולם מדובר בתופעה שקשה מאוד למדוד אותה. כדי שייווצרו גלים גדולים מספיק כדי למדוד אותם צריך אירוע קוסמי גדול במיוחד, וגם אז הגלים מגיעים אלינו כתנודות קטנות, הנבלעות בקלות ברעשי הרקע של החיים על פני כדור הארץ.

במשך השנים ניסו חוקרים לבנות כמה סוגים של גלאים המבוססים על העיקרון של הגברת התהודה העצמית. הם הורכבו ממוטות או כדורים שהיו אמורים לרטוט כשגל כבידה יפגע בהם, אך השיטה הזו לא הייתה רגישה מספיק ולא הניבה גילוי של הגלים החמקמקים.

זיהו התנגשות בין חורים שחורים במרחק 1.3 מיליארד שנות אור. מימין: ריינר וייס, קיפ תורן, ובריש בריש | מקור: אתר פרס נובלזיהו התנגשות בין חורים שחורים במרחק 1.3 מיליארד שנות אור. מימין: ריינר וייס, קיפ תורן וברי בריש | מקור: אתר פרס נובל

הפרשים זעירים

המפנה הגיע עם הקמתו של גלאי LIGO, הפועל בשיטה אחרת. שני גלאי LIGO בארצות הברית אחד במדינת וושינגטון ואחד בלואיזיאנה הם אינטרפרומטרים. כלומר, גלאים המודדים שינוי זעיר במעבר של קרן לייזר. כל גלאי מורכב משתי זרועות ניצבות זו לזו, באורך ארבעה קילומטר כל אחת. קרן לייזר מתפצלת במפגש בין הזרועות, ואז מוחזרת בין מראות שבקצות הזרועות 400 פעם, ובסך הכל עוברת כל קרן 1600 ק"מ, לפני שהיא חוזר לנקודת המפגש. אם גל כבידתי עובר באחת הזרועות, הוא מרטיט מעט את קרן הלייזר, ומאריך את דרכה במידה זעירה מאוד - בערך 1/10000 מגודלו של פרוטון, כך שהן לא חוזרות לנקודת המוצא בדיוק באותו זמן, אלא בהפרש זעיר של שברירי שנייה.

בשנת 1967 פרסם וייס מאמר המסביר כיצד אינטרפרומטר כזה יוכל לזהות גל כבידתי, וניסה לבנות גלאי כזה במימון צבאי. שנה לאחר מכן ניסה קיפ תורן ליזום הקמת גלאי במימון המכון הטכנולוגי של קליפורניה, אך שני המיזמים לא הגיעו לכלל השלמה. מדען נוסף, רונלד דריבר (Drever) ניסה לפתח גלאי כזה בסקוטלנד, ובהמשך חבר לתורן בקליפורניה. שלושתם זכו בפרס הרווי היוקרתי של הטכניון ב-2016, אך דריבר הלך לעולמו זמן קצר לפני טקס הענקת הפרס עצמו.

באמצע שנות ה-80 הקימו שלושתם את הוועדה המנהלת של LIGO – ראשי תבות של Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, כלומר אינטרפרומטר לייזר לגילוי גלים כבידתיים. בניית הגלאי הושלמה במהלך שנות ה-90, בעיקר הודות לפעילותו הרבה של מנהל מדעי חדש – בארי בריש. הוא התחיל לפעול בראשית שנות ה-2000, אך לא הצליח לזהות גלי כבידה. בהובלת באריש הוחלף הגלאי הישן בדגם מתקדם, שהתחיל לפעול בפברואר 2015. במהלך שנות העבודה על הגלאי התרחבה לפרויקט בינלאומי בשיתוף פעולה של יותר מ-20 מדינות ומאות מדענים, בתקציב של מאות מיליוני דולרים.

מסע של 1,600 קילומטרים לכל קרן בצינור של ארבעה קילומטר. גלאי LIGO בוושינגטון | צילום: Science Photo Libraryמסע של 1,600 קילומטרים לכל קרן בצינור של ארבעה קילומטר. גלאי LIGO בוושינגטון | צילום: Science Photo Library

עושים גלים

ב-14 בספטמבר 2015 סוף סוף נרשמה בגלאי התנודה המיוחלת. דפוס שינוי בתנודות הקרן התאים בדיוק למודלים המדעיים, ותנודה זהה נקלטה בהפרש של כמה אלפיות השנייה בשני הגלאים בארצות הברית, המרוחקים 3000 ק"מ זה מזה. המדידה הזו איפשרה למדענים לזהות את כיוון האירוע שחולל את גלי הכבידה, לאמוד את מרחקו מאיתנו ולכוןן טלסקופים לשם בתקווה לזהות את עקבותיו. המסקנה הייתה כי מדובר בהתנגשות של שני חורים שחורים, כבדים עשרות מונים מהשמש שלנו, לפני 1.3 מיליארד שנים!

מאז הזיהוי הראשוני נמדדו עוד כמה גלי כבידה, האחרון, לפני כחודש בלבד, זוהה גם בשני גלאי ליגו וגם בגלאי VIRGO באיטליה, אחיהם הקטן והחדש (שאורך כל זרוע שלו רק שלושה קילומטרים). הזיהוי המשולש איפשר לאתר ביעילות רבה עוד יותר את מקור האירוע – התנגשות של שני חורים שחורים לפני 1.8 מיליארד שנים.

המדידה של גלי כבידה לא רק מספקת הוכחה לתיאוריה בת יותר ממאה שנים, אלא גם פותחת צוהר חדש לחקר גופים ואירועים בעלי אנרגיה רבה שאיננו יכולים לראותם באמצעים אחרים, כמו החורים השחורים. "יש מקורות רבים לגלי כבידה, והתנגשויות של חורים שחורים הן רק מקור אחד", אמר וייס במסיבת העיתונאים של ההכרזה על חתני הפרס. "גם התנגשויות של כוכבי ניטרונים למשל הן מקור לגלי כבידה. מדידה של פרטי ההתנגשויות תאפשר הבנה יותר מדויקת של הפיזיקה של התהליכים האלה. יהיה ניתן ללמוד עוד על תהליכים המתרחשים בהתפוצצויות כוכבים (סופרנובות) שנובעות מהתנגשויות בין כוכבי ניטרונים".

אירועים כמו התנגשות של חורים שחורים מאפשרים לשפר את ההבנה שלנו בתחומים רבים של פיזיקה כמו מכניקת הקוונטים, יחסות כללית וקוסמולוגיה. עד עתה תצפיות שונות על היקום נעשו באמצעות מדידת קרינה אלקטרומגנטית, קרינה קוסמית או מדידת חלקיקי ניוטרינו. גלים כבידתיים הם עדות ישירה להפרעות למרחב-זמן עצמו, דבר חדש ושונה לחלוטין. כמו שקורה פעמים רבות במדע, ברגע שיש לנו כלי מחקר חדש נפתחים בפנינו אופקים שכלל לא שיערנו את קיומם. אולי הגילוי של הגלים המסתוריים והחמקמקים הוא הצעד הראשון במסע חדש אל גבולות היקום והפיזיקה.    

צפו במסיבת העיתונאים של ההכרזה על הזוכים (באנגלית ובשבדית):