בפברואר 2016, מדענים העובדים במצפה הכוכבים של גל ההבדלים בלייזר (LIGO) עשו היסטוריה כאשר הודיעו על איתורם הראשון של גלי הכבידה. מאז אותה תקופה התרחשו איתורים מרובים ושיתופי פעולה מדעיים בין מצפה הכוכבים - כמו Advanced LIGO ו- Advanced Virgo - מאפשרים רמות חסרות תקדים של רגישות ושיתוף נתונים.
לא רק שהגילוי הראשון של גלי הכובד היה הישג היסטורי, הוא התחיל עידן חדש של אסטרופיזיקה. אין פלא אם כן מדוע שלושת החוקרים שהיו מרכזיים בגילוי הראשון זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2017. הפרס הוענק במשותף לפרופסורים מקלטק אמריטוס קיפ ס. בריש, יחד עם פרופסור אמיטוס, MIT ריינר וייס.
במילים פשוטות, גלי הכבידה הם אדוות בזמן-חלל הנוצרים על ידי אירועים אסטרונומיים מרכזיים - כמו מיזוג של זוג חור שחור בינארי. הם ניבאו לראשונה לפני למעלה ממאה שנים על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, שהצביעה על כך שפרעות מסיביות ישנו את מבנה הזמן-החלל. עם זאת, רק בשנים האחרונות נצפו לראשונה עדויות לגלים אלה.
האות הראשון התגלה על ידי מצפה הכוכבים התאומים של ליגו - בהנפורד, וושינגטון וליווינגסטון, לואיזיאנה, בהתאמה - ונמצא למיזוג שומה שחורה במרחק 1.3 מיליארד שנות אור. עד כה היו ארבע גילויים, כולם נבעו ממיזוג זוגות החורים השחורים. אלה התרחשו ב- 26 בדצמבר 2015, ב- 4 בינואר 2017, וב -14 באוגוסט 2017, כשהאחרון התגלה על ידי LIGO וגלאי הגל הכבידה האירופי.
על התפקיד שמילאו בהישג זה, מחצית מהפרס הוענקה במשותף לבארי סי. באריש של קלטק - הפרופסור לרונלד ומקסין לינד לפיזיקה, אמריטוס - וקיפ ס. ת'ורן, הפרופסור לפיזיקה תיאורטית של ריצ'רד פ. , אמריטוס. החצי השני הוענק לריינר ווייס, פרופסור לפיזיקה, אמריטוס, במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).
כפי שאמר נשיא קלטק תומאס פ. רוזנבאום - יו"ר הנשיא סוניה וויליאם דוידוב ופרופסור לפיזיקה - בהצהרת העיתונאים האחרונה של קלטק:
"אני שמח ומכבד לברך את קיפ ובארי, כמו גם את ראי וייס מ- MIT, על הפרס הבוקר בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2017. התצפית הישירה הראשונה על גלי הכבידה על ידי LIGO היא הדגמה יוצאת דופן של חזון מדעי והתמדה. באמצעות ארבעה עשורים של פיתוח מכשור רגיש להפליא - דוחף את יכולת הדמיונות שלנו - אנו יכולים כעת להציץ בתהליכים קוסמיים שלא ניתן היה להבחין בהם בעבר. זו באמת תחילתו של עידן חדש באסטרופיזיקה. "
הישג זה היה מרשים עוד יותר בהתחשב בכך שאלברט איינשטיין, שניבא לראשונה את קיומם, האמין כי גלי הכבידה יהיו חלשים מכדי ללמוד. עם זאת, בשנות השישים, ההתקדמות בטכנולוגיית הלייזר ותובנות חדשות על מקורות אסטרופיזיים אפשריים הובילו את המדענים למסקנה כי הגלים הללו עשויים להיות ממש ניתנים לגילוי.
גלאי גלי הכבידה הראשונים נבנו על ידי ג'וזף וובר, אסטרופיזיקה מאוניברסיטת מרילנד. הגלאים שלו, שנבנו בשנות השישים, כללו צילינדרים אלומיניום גדולים שיונעו לרטוט על ידי גלי כבידה חולפים. ניסיונות אחרים הגיעו לאחר מכן, אך כולם לא הצליחו; מה שמניע לעבר גלאי מסוג חדש הכולל אינטרפרומטריה.
מכשיר אחד כזה פותח על ידי וייס ב- MIT, שהסתמך על הטכניקה המכונה אינטרפרומטריה בלייזר. במכשיר מסוג זה נמדדים גלי הכבידה בעזרת מראות מרווחות ומופרדות שמשקפות לייזרים לאורך מרחקים ארוכים. כאשר גלי הכבידה גורמים למתיחת המרחב ולחץ בכמויות אינסופיות, הוא גורם לאור המוחזר בתוך הגלאי לנוע באופן דק.
במקביל, תורן - יחד עם תלמידיו והפוד-דוקס בקלטק - החלו לפעול לשיפור התיאוריה של גלי הכבידה. זה כלל הערכות חדשות לגבי חוזק ותדירות הגלים המיוצרים על ידי עצמים כמו חורים שחורים, כוכבי נויטרונים וסופרנובות. זה הגיע לשיאו במאמר משנת 1972 שפרסם Throne בשיתוף עם תלמידו, Bill Press, אשר סיכמו את חזונם כיצד ניתן ללמוד גלי כבידה.
באותה שנה פרסם וייס גם ניתוח מפורט של הפרעות-מידה והפוטנציאל שלהם למחקר אסטרופיסי. במאמר זה הצהיר כי פעולות בקנה מידה גדול יותר - בגודל של כמה ק"מ או יותר - עשויות לגרום לירי בגלי הכבידה. הוא גם זיהה את האתגרים העיקריים לגילוי (כמו רעידות מכדור הארץ) והציע פתרונות אפשריים להתמודדות איתם.
בשנת 1975, וייס הזמין את תורן לשאת דברים בישיבת ועדת נאס"א בוושינגטון הבירה. השניים בילו לילה שלם בשיחות על ניסויים כבידתיים. כתוצאה משיחתם, תורן חזר לקאלטה והציע ליצור קבוצת כוח משיכה ניסיונית, שתעבוד על אינטרפרומטרים במקביל לחוקרים ב- MIT, אוניברסיטת גלזגו ואוניברסיטת גרצ'ינג (שם נערכו ניסויים דומים).
פיתוח באינטרפרומטר הראשון החל זמן קצר לאחר מכן ב- Caltech, שהוביל ליצירת אב-טיפוס בגודל 40 מטר (130 רגל) לבדיקת התיאוריות של ווייס על גלי כבידה. בשנת 1984, כל העבודות שבוצעו על ידי מוסדות אלה התאגדו. Caltech ו- MIT, בתמיכת קרן המדע הלאומית (NSF), הקימו את שיתוף הפעולה של LIGO והחלו בעבודה על שני האינטרפרומטרים שלה בהנפורד ובליווינגסטון.
בניית LIGO היוותה אתגר גדול, הן מבחינה לוגיסטית והן מבחינה טכנית. עם זאת, הדברים עזרו מאוד כאשר בארי באריש (אז פיזיקאי חלקיקים של קלטק) הפך לחוקר הראשי (PI) של ליגו בשנת 1994. לאחר עשור של ניסיונות תקועים, הוא גם התמנה למנהל LIGO והחזיר את בנייתו למסלול. . הוא גם הרחיב את צוות המחקר ופיתח תוכנית עבודה מפורטת עבור ה- NSF.
כפי שציין באריש, העבודה שעשה עם LIGO הייתה משהו שמתגשם:
"תמיד רציתי להיות פיזיקאי ניסיוני ונמשכתי לרעיון להשתמש בהתקדמות מתמשכת בטכנולוגיה כדי לבצע ניסויים מדעיים בסיסיים שלא ניתן היה לעשות אחרת. LIGO הוא דוגמא עיקרית למה שלא ניתן היה לעשות קודם. למרות שזה היה פרויקט בקנה מידה גדול מאוד, האתגרים היו שונים מאוד מהאופן בו אנו בונים גשר או מבצעים פרויקטים הנדסיים גדולים אחרים. עבור LIGO, האתגר היה וכיצד לפתח ולעצב מכשירים מתקדמים בהיקף גדול, אפילו עם התפתחות הפרויקט. "
עד שנת 1999 הצטברו הבנייה במצפה הכוכבים של ליגו ועד שנת 2002 החלה LIGO להשיג נתונים. בשנת 2008 החלו בעבודות לשיפור הגלאים המקוריים שלה, המכונים פרויקט LIGO Advanced. תהליך המרת האב-הטיפוס של 40 מ 'למערבבים הנוכחיים של LIGO בגודל 4 ק"מ (2.5 מייל) היה התחייבות אדירה, ולכן היה צורך לחלק אותו לשלבים.
השלב הראשון התרחש בין 2002 ל -2010, אז הצוות בנה ובדק את האינטרפרומטרים הראשוניים. אמנם זה לא הביא לגילוי, אולם הוא הדגים את מושגי היסוד של המצפה ופתר רבים מהמכשולים הטכניים. השלב הבא - שנקרא Advanced LIGO, אשר התרחש בין 2010 ל -2015 - איפשר לגלאים להשיג רמות רגישות חדשות.
שדרוגים אלה, שאירעו גם תחת הנהגתו של באריש, אפשרו פיתוח של כמה טכנולוגיות מפתח שבסופו של דבר אפשרו את הגילוי הראשון. כפי שהסביר באריש:
"בשלב הראשוני של LIGO, בכדי לבודד את הגלאים מתנועת האדמה, השתמשנו במערכת מתלה שהורכבה ממראות מסת מבחן שנתלו על ידי חוט פסנתר והשתמשנו במערכת מרובת שלבים של בולמי זעזועים, דומים לאלה במכונית שלך. ידענו שסביר להניח שזה לא יהיה מספיק טוב כדי לאתר גלי כבידה, ולכן, במעבדת LIGO, פיתחנו תוכנית שאפתנית עבור LIGO Advanced ששילבה מערכת מתלה חדשה לייצוב המראות ומערכת בידוד סייסמית פעילה כדי לחוש ולתקן אותה תנועות קרקעיות. "
בהתחשב עד כמה מרכזיים היו ת'ורן, וייס ובריש בחקר גלי הכבידה, שלושתם הוכרו בצדק כמקבלים פרס נובל לפיזיקה השנה. גם ת'ורן וגם באריש קיבלו הודעה כי ניצחו בשעות הבוקר המוקדמות ב- 3 באוקטובר 2017. בתגובה לחדשות, שני המדענים היו בטוחים להכיר במאמציהם המתמשכים של LIGO, צוותי המדע שתרמו לה, המאמצים של Caltech ו- MIT ביצירה ותחזוקה של מצפה הכוכבים.
"הפרס שייך בצדק למאות מדעני LIGO והמהנדסים שבנו ושכללו את האינטרפרומטרים הגליים הכבירים המורכבים שלנו, ומאות מדעני LIGO ומזל בתולה שמצאו את אותות גל הכבידה במידע הרועש של LIGO והוציאו את המידע של הגלים, "אמר תורן. "זה מצער שבגלל התקנות של קרן נובל, הפרס צריך להגיע לכל היותר משלושה אנשים, כשהגילוי המופלא שלנו הוא יצירתם של יותר מאלף."
"אני מושפל ומכובד לקבל את הפרס הזה," אמר בריש. "איתור גלי הכבידה הוא באמת ניצחון של הפיזיקה הניסיונית המודרנית בקנה מידה גדול. במשך כמה עשורים צוותי חברת Caltech ו- MIT פיתחו את LIGO למכשיר הרגיש להפליא שגרם לגילוי. כאשר האות הגיע ל- LIGO מהתנגשות של שני חורים שחורים מהממים שהתרחשו לפני 1.3 מיליארד שנה, הצליח שיתוף הפעולה המדעי החזק של LIGO המדעי בן 1000 איש לזהות את אירוע המועמד תוך דקות ולבצע את הניתוח המפורט שהמחיש באופן משכנע כי גלי כבידה קיימים."
במבט קדימה, זה גם די ברור ש- Advanved LIGO, מזל בתולה מתקדמות ומצפות תצפית אחרות על גל הכבידה ברחבי העולם רק מתחילים. בנוסף לגילוי ארבעה אירועים נפרדים, מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי גילוי של גל הכבידה יכול לפתוח גם גבולות חדשים למחקר אסטרונומי וקוסמולוגי.
למשל, מחקר שנערך לאחרונה על ידי צוות חוקרים ממרכז מונש לאסטרופיזיקה הציע מושג תיאורטי המכונה 'זיכרון יתום'. על פי מחקריהם, גלי הכבידה לא רק גורמים לגלים בזמן החלל, אלא משאירים אדוות קבועות במבנה שלה. על ידי לימוד "היתומים" של אירועי העבר, ניתן ללמוד על גלי הכבידה הן כאשר הן מגיעות לכדור הארץ והן הרבה אחרי שהן עוברות.
בנוסף, מחקר שוחרר באוגוסט על ידי צוות אסטרונומים מהמרכז לקוסמולוגיה באוניברסיטת קליפורניה אירווין שהצביע על כך שמיזוגים של חור שחור נפוצים בהרבה ממה שחשבנו. לאחר עריכת סקר על הקוסמוס שנועד לחשב ולסווג חורים שחורים, צוות UCI קבע שיכולים להיות כמאה מיליון חורים שחורים בגלקסיה.
מחקר אחר שפורסם לאחרונה הצביע על כך שניתן להשתמש ברשת הגלאי Advanced LIGO, GEO 600, ו- Virgin Wave גלאי כבידה, בכדי לאתר את גלי הכבידה שנוצרו על ידי סופרנובות. על ידי איתור הגלים שנוצרו על ידי הכוכבים המתפוצצים בסיום תוחלת חייהם, אסטרונומים יוכלו לראות לראשונה בתוך ליבם של כוכבים קורסים ולבחון את המכניקה של היווצרות החור השחור.
פרס נובל לפיזיקה הוא אחד המצטיינים הגבוהים ביותר שניתן להעניק למדען. אך הידיעה שדברים גדולים נבעו מהעבודה של האדם, אפילו יותר גדול מזה. עשרות שנים לאחר שתורן, וייס ובריש החלו להציע לימודי גלי כבידה ופועלים ליצירת גלאים, מדענים מכל העולם מגלים תגליות עמוקות שעושות מהפכה בדרך שבה אנו חושבים על היקום.
וכפי שבטח יעידו המדענים האלה, מה שראינו עד כה הוא רק קצה הקרחון. אפשר לדמיין שבמקום כלשהו איינשטיין קורן גם הוא מגאווה. בדומה למחקרים אחרים הנוגעים לתיאוריית היחסות הכללית שלו, המחקר של גלי הכבידה מדגים כי גם לאחר מאה שנים, תחזיותיו עדיין דפקו!
והקפידו לבדוק את הסרטון הזה של מסיבת העיתונאים של קלטק בה כיבדו באריש ותורן על הישגיהם:
