תגלית גלי הכבידה

תגלית גלי הכבידה התרחשה ב-14 בספטמבר 2015, והייתה הגילוי הישיר הראשון אי פעם של גלי כבידה. התגלית היא אחד האישושים החשובים של תורת היחסות הכללית, ויש הרואים בה את אחת התגליות החשובות בפיזיקה אי פעם, ולפחות את התגלית החשובה ביותר במאה ה-21. הגלים נקלטו בשני הגלאים של הפרויקט לגילוי גלי הכבידה, LIGO, לאחר כ-25 שנים של ניסיונות. האירוע דווח לראשונה על ידי ראשי פרויקט LIGO, פרויקט Virgo, והקרן הלאומית למדע ב-11 בפברואר 2016, לאחר ארבעה חודשים של בדיקות יסודיות של המידע, שנדרשו כדי להגיע לרמת וודאות גבוהה.
התגלית קיבלה את הסימון GW150914, קיצור של: Gravitational Wave 2015-09-14.

רקע

אלברט איינשטיין חזה את אפשרות קיומם של גלי כבידה לראשונה ב-1916, בעקבות תורת היחסות הכללית שהגה ב-1915. אמנם, כעבור עשרים שנה איינשטיין חזר בו מהתחזית, וביקש לפרסם מאמר המסביר שגלי כבידה אינם אפשריים. הוא הגיע למסקנה הזו על בסיס חישובים, שהראו שהנחותיו מובילות לנקודות סינגולריות, כלומר: לערכים אינסופיים של אורך וזמן. איינשטיין שלח את המאמר ב-1936 למגזין Physical Review, והמאמר נשלח לביקורת עמיתים, כמקובל. מעריך אנונימי (כיום ידוע שהיה זה הפיזיקאי הווארד רוברטסון ) כתב ביקורת שלילית, בהצביעו על טעויות בחישובים. איינשטיין, שכנראה לא היה רגיל לביקורת על מאמריו - הודיע שיפרסם את המאמר באכסניה אחרת (המגזין של מכון פרנקלין). הוא מעולם לא שלח מאמרים נוספים ל-Physical Review. אולם, עוד לפני מועד הפרסום, איינשטיין נוכח בעצמו בטעותו, והמאמר נגנז.
בדומה לגל אלקטרומגנטי, שמקורו בגוף טעון במטען חשמלי שנע באופן מחזורי (לרוב כמתנד הרמוני) - מקורם של גלי הכבידה הוא בגוף מסיבי שנע במרחב באופן מחזורי. על פי תורת היחסות הכללית, גוף מסיבי "מעוות" את המרחב-זמן שסביבו, כך שהגאומטריה שלו משתנה, והמרחב מתעקם. גוף מסיבי מאד עשוי לנוע במרחב באופן שיש בו מחזוריות כלשהי (למשל: אם הוא חלק ממערכת בינארית של שתי מסות כבדות, המסתובבות סביב מרכז המסה המשותף שלהן - במקרה זה, המחזור הוא תקופת הסיבוב). גוף כזה גורם לעיוות שמשתנה באופן מחזורי, כלומר ל"הפרעה" בגאומטריה של המרחב-זמן. באופן דומה לגל אלקטרומגנטי, הפרעה זו מתפשטת במרחב בצורת גל. כשם שמשוואות מקסוול מחייבות שהפרעה בשדה האלקטרומגנטי (שהיא הגל האלקטרומגנטי) תתפשט במהירות האור (תוצאה שנובעת מהפרמאביליות וממקדם דיאלקטרי של הריק, שהם קבועים אוניברסליים), כך גם משוואות תורת היחסות הכללית מחייבות, שגל הכבידה יתפשט באותה מהירות.
באופן רגיל, גלי כבידה הנוצרים מתנועה מחזורית של גופים קוסמיים הם חלשים במידה שלא ניתנת לגילוי גם במכשירים רגישים מאד. אולם בזכות המסה העצומה של גופים מסויימים הפולטים גלי כבידה (עד לאחרונה התגלו גלי כבידה רק מחורים שחורים), ובגלל זמן המחזור הקצר (פחות משניה אחת, בניגוד לחודשים ושנים) - במקרים אלה נוצרים לראשונה התנאים לגילוי ודאי של גלי כבידה.
הרעיון בדבר העיקום של המרחב-זמן סביב גופים מסיביים קיבל אישוש כבר ב-1915, כאשר תורת היחסות הכללית שפרסם איינשטיין הצליחה להסביר, בין היתר, מדוע מסלולו האליפטי של כוכב חמה חג סביב השמש. איינשטיין הציע אישוש נוסף, כשטען שקרן אור מכוכב רחוק שתעבור בקרבת השמש בדרכה אל הארץ, תתכופף ותסטה מן הקו הישר. הוא חישב את מידת הסטיה, והציע למדוד את הניבוי בעת ליקוי החמה שהתרחש ב-1914. המדידה לא התבצעה בגלל פרוץ מלחמת העולם הראשונה. עובדה זו פעלה לטובת איינשטיין, מפני שהחישוב שלו היה שגוי. איינשטיין תיקן את חישוביו, והניבוי המתוקן קיבל אישוש במדידה שהתבצעה בעת ליקוי החמה של 1919 .

תגלית LIGO

עד תגלית גלי הכבידה ב-2015, הם מעולם לא התגלו באופן ישיר, משום שעוצמתם חלשה מאד. גלי כבידה משמעותיים נוצרים רק מגופים מסיביים מאד, דוגמת חור שחור. גם אז, דרושים גלאים בעלי רגישות יוצאת דופן כדי לגלותם, ולהפריד את השפעתם מתוך רעש הרקע שנובע ממקורות רבים, ובהם תנודות של הסביבה (למשל: תזוזות של הקרקע, שהן גדולות בהרבה סדרי-גודל מאשר האות הנמדד). כדי לגלות גלי כבידה, יש צורך בציוד מדידה שמסוגל למדוד תזוזות (למשל של קרני לייזר) בסדר גודל של  מטר, כלומר קטנות פי 1,000 ויותר מקוטר של פרוטון. פרויקט LIGO הוא הראשון שהעמיד ציוד מדידה בדיוק הדרוש, ושהצליח להבחין באות שכזה, ובמידה מספקת של ודאות.
הגלאים של LIGO פועלים בשיטת האינטרפרומטריה. כל אחד מהגלאים הוא אינטרפרומטר מטיפוס מייקלסון, שבנוי משני צינורות ניצבים זה לזה, שניהם מונחים על הקרקע, באורך של 4 קילומטר האחד. קרן לייזר מפוצלת לשתי קרניים, באמצעות מראה חצי-שקופה, המוצבת בזווית של 45 מעלות לקרן הראשונית. כך מתקבלות שתי קרניים קוהרנטיות, המאונכות זו לזו, וכל אחת מכוונת לאחד מהצינורות. בקצה של כל צינור מוצבת מראה בעלת כיוננון עדין, כך שהקרניים נעות בתוך הצינורות הלוך ושוב כ-400 פעמים, ואז נפגשות שתי הקרניים בתוך החיישן, ועוברות התאבכות (Interference). במצב "שקט" (כלומר בהיעדר גל כבידה), ההתאבכות היא בונה. כשגל כבידה עובד דרך ההתקן, המרחב-זמן מתעוות (ויחד עמו כדור הארץ כולו, כולל הצינורות), כך שהמרחקים שעוברות הקרניים משתנים, וכך גם פרקי-זמן המעבר, והשינוי בכל כיוון הוא במידה שונה, וגם תלוי בזמן. על כן, ההתאבכות במקרה זה איננה בונה, ומידת הסטיה הזעירה מהתאבכות בונה - ניתנת למדידה.

כבידה קוונטית

פיזיקאים טוענים כי התגלית היא פתח להתבוננות חדשה לגמרי על היקום, ובפרט כדי לסייע בגיבושה של תורת כבידה קוונטית. גלי כבידה עשויים לספק מידע על גופים קוסמיים שאינם פולטים כמעט קרינה אלקטרומגנטית, כגון חורים שחורים וכוכבי נייטרונים. מידע כזה עשוי להרחיב מאוד את מעט הידע הקיים, נכון ל-2017, על שדות כבידה חזקים, ואף ייתכן שניתן יהיה למפות את היקום, או אזורים מצומצמים בו, באמצעות גלי כבידה. כמו כן, פיזיקאים רבים מקווים שמחקר גלי כבידה יאפשר לתאר תיאור מתקדם יותר של האופן בו כבידה פועלת, נושא שבו יש פער מרכזי בין תורת היחסות לבין תורת הקוונטים.

היווצרות של יסודות כבדים

על פי הידוע כיום (2018), יסודות כבדים מברזל (שמספרו האטומי 26) אינם נוצרים בהיתוך גרעיני בליבות של כוכבים, ולמעשה האופן שבו הם נוצרים עדיין לא ברור באופן מספק. תצפיות על האירועים שיצרו את גלי הכבידה שהתגלו לאחרונה, וניתוח של אותות אלקטרומגנטיים שמוסיפים להגיע ממקום האירוע מספר ימים לאחריו, מהווים כר פורה למחקרים חדשים רבים, ולניסיונות אישוש של תאוריות על אופן היווצרותם של יסודות כבדים.

פרסי נובל

ב-3 באוקטובר 2017 הודיעה ועדת פרס נובל  על הענקת פרס נובל לפיזיקה לריינר וייס (ממציא הגלאי האינטרפרומטרי), לבארי בריש (החוקר הראשי של פרויקט LIGO מתחילתו, ומנהלו ב-20 השנים האחרונות), ולקיפ תורן (ממקימי הפרויקט, שהוביל ותרם להיבטים התאורטיים והיישומיים שלו). זאת הפעם הראשונה שפרס נובל בתחומים המדעיים (פיזיקה, כימיה וכן פיזיולוגיה או רפואה) מוענק בתוך פרק זמן כה קצר מרגע התגלית שעליה הוא מוענק (במקרה הנוכחי בתוך פחות משנתיים מרגע התגלית). בדר"כ הפרסים בתחומים המדעיים מוענקים עשרות שנים לאחר התגלית.