שבועיים לאחר שזכו בפרס נובל לפיזיקה על גילוי של גלי כבידה כתוצאה מהתמזגות של שני חורים שחורים, צוותי (LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory האמריקאי ו-Virgo האיטלקי-צרפתי הכריזו היום (ב') על גילוי ראשון של גלי כבידה מהתמזגות של שני כוכבי נייטרונים – תגלית היסטורית שלא רק פתרה בבת אחת כמה מהחידות הגדולות של היקום, אלא גם מהווה תקדים אסטרונומי בחקר תופעה אחת באמצעות שני כלים שונים בתכלית: גלי כבידה קרינה אלקטרומגנטית.
גלי הכבידה שנמדדו בגלאי LIGO ו-Virgo עיוותו קלות את המרחב והזמן בכדור הארץ ב-17 באוגוסט, בשעה 15:41 לשעון ישראל. ההפרעה שנרשמה הייתה ארוכה יחסית (כ-100 שניות לעומת שברירי שנייה במקרים הקודמים) וחלשה יותר (שני הגופים שהתנגשו היו במסות של 1.1 עד 1.6 ממסת השמש שלנו, לעומת עשרות מסות שמש במקרים של חורים שחורים). אלה עדויות לכך שהפעם – לראשונה אי פעם – גלי הכבידה שנמדדו נוצרו בהתמזגות של שני כוכבי נייטרונים.
1.7 שניות אחרי המדידה של LIGO ו-Virgo, באופן עצמאי ובלתי תלוי, הלוויין פרמי של נאס"א קלט התפרצות של קרני גמא מאותו אזור בשמיים שממנו הגיעו גלי הכבידה. זהו המקרה הראשון של אסטרונומיה מרובת-מקורות (Multi-Messenger Astronomy) בתולדות המדע.
זהב נולד
התפרצויות קרני גמא הן התפרצויות קצרות מאוד של קרינה אלקטרומגנטית קטלנית, הנמשכות בין שבריר שנייה לדקות ספורות, ויש הסוברים שהן אחראיות להכחדות המוניות בהיסטוריה של כדור הארץ. מדידתן על ידי הלוויין פרמי מיד לאחר מדידת גלי הכבידה, מוכיחה כי לפחות התפרצויות קרני הגמא הקצרות, מקורן בהתמזגויות של כוכבי נייטרונים – השערה ותיקה שזכתה לאישוש ראשון.
12 שעות לאחר המדידה הראשונית, טלסקופ Swope בצ'ילה איתר מקור אור חדש בגלקסיית NGC4993, המרוחקת 130 מיליון שנות אור מאתנו, גם כן באותו אזור בשמיים שממנו הגיעו גלי הכבידה וקרני הגמא, בקבוצת הכוכבים הידרה. בשעות, בימים ובשבועות שלאחר מכן, כ-70 טלסקופים בכדור הארץ ובחלל הבחינו באופן עצמאי באור שנפלט כתוצאה מההתמזגות.
ניתוח הספקטרום של מקור האור הוכיח את הסברה לפיה התמזגויות של כוכבי נייטרונים הן שמייצרות את רוב היסודות ביקום הכבדים מברזל, כמו זהב, כסף, פלטינה, כספית ועופרת. כל התמזגות כזאת משחררת יסודות כבדים במסה של כאלף כדורי ארץ.
״מזה מספר שנים אנחנו מפתחים תחזיות תאורטיות כיצד יראה הפיצוץ ממיזוג כוכבי נויטרונים בכל אורכי הגל," אומר פרופ' נקר מאוניברסיטת תל אביב, המוביל עם תלמיד המחקר אור גוטליב את אחד המחקרים שרואים אור היום. "כפי שקורה לא פעם, הטבע יצירתי מאתנו, ולצד תחזיות שלנו שהתממשו יפה, למשל בתחום הרדיו, ישנם בפיצוץ מאפיינים מפתיעים ונדרשת עוד עבודה על מנת להבינם. אחת התוצאות המעניינות שעולות מניתוח התצפיות היא היסודות מהם מורכב החומר שהועף בפיצוץ. עד לגילוי הזה, לא ידענו מתי והיכן ביקום נוצרים כחצי מהיסודות שכבדים מברזל, על אף חשיבותם בחיינו. היום, לאור התצפיות, אנחנו יכולים כמעט בוודאות לומר שעיקר הזהב ביקום, כולל טבעת הנישואין שלי, מקורו במיזוגים של כוכבי נויטרונים. כך גם לגבי אורניום למשל, ומתכות רבות אחרות״.
אנימציה של התמזגות שני כוכבי נויטרונים | אנימציה: NRAO/AUI/NSF
איינשטיין צדק
גלי כבידה נמדדו לראשונה באופן ישיר בפברואר 2016 – 100 שנה לאחר שאלברט איינשטיין חזה את קיומם בתורת היחסות הכללית. גלי כבידה, או גלים גרביטציוניים, הם הפרעה מתפשטת של עקמומיות המרחב-זמן, והם נוצרים באירועים העוצמתיים ביותר ביקום, כמו סופרנובות, התמזגויות של שני כוכבי נייטרונים והתמזגויות של שני חורים שחורים.
גלי הכבידה שנמדדו ב-2016 נוצרו כאשר מערכת של שני חורים שחורים, במסות של 36 ו-29 מסות שמש, התמזגו לחור שחור אחד בעל מסה של כ-60 שמשות בלבד. בדומה לאדוות במים, המסה העודפת התפשטה ביקום במהירות האור, תוך כדי שהיא מעוותת את מרקמו של כדור הארץ, במרחק 1.3 מיליארד קילומטרים מהאירוע – עיוות שנמדד בשני גלאי LIGO. מאז נמדדו עוד שלושה אירועים של גלי כבידה, שלושתם כתוצאה מהתמזגות של שני חורים שחורים, אבל עד היום לא נמדדה התמזגות של כוכבי נייטרונים.
כשכוכב מסיבי מסיים את חייו כסופרנובה, הוא משאיר אחריו ליבה דחוסה. בכוכבים מסיביים במיוחד, הליבה הדחוסה הזאת תהפוך לחור שחור, ואילו בכוכבים פחות מסיביים הקריסה הכבידתית עוצרת בנקודה שבה אלקטרונים ופרוטונים מתמזגים לנייטרונים. כיוון שכוכבי הנייטרונים קטנים יותר, כך גם גלי הכבידה שהם מייצרים בעת ההתמזגות חלשים יותר, מה שמסביר מדוע עד היום עוד לא נמדדו גלי כבידה מאירועים אלו. אך כעת נסללת הדרך למדידות רבות נוספות, כיוון שההערכות הן שכוכבי נייטרונים נפוצים יותר ביקום מחורים שחורים, וכך נפוצות יותר גם מערכות של שני כוכבי נייטרונים הסובבים זה את זה ומתמזגים.
פרק חדש במדע
הענף החדש של אסטרונומיית גלי כבידה (Gravitational-Wave Astronomy) מהווה צוהר חדש להבנת היקום. באופן מסורתי, מדע האסטרונומיה הסתמך על קרינה אלקטרומגנטית – ראשית על האור הנצפה, ולאחר מכן על תדרים אחרים בספקטרום האלקטרומגנטי, כמו גלי רדיו, רנטגן וגמא. אסטרונומיית גלי כבידה עושה שימוש בתופעה שונה לגמרי, שאינה קרינה אלקטרומגנטית כלל, מה שמאפשר לחוקרים להציץ לתופעות במרחקים אדירים, כמו גם ללמוד על גופים שאינם פולטים אור, כמו חורים שחורים. בכך, מתאפשרת לראשונה במדע האסטרונומיה, חקירת תופעות קוסמיות בשני אמצעי מדידה שונים.
לתגלית הדרמטית אחראיים אלפי חוקרים מרחבי העולם וביניהם לא מעט חוקרים ישראלים כמו פרופ' אהוד נקר ותלמיד המחקר אור גוטליב, ד"ר רון הרכבי, פרופ' דובי פוזננסקי ופרופ' דן מעוז מאוניברסיטת תל אביב, פרופ' צבי פירן וד"ר אסף חורש מהאוניברסיטה העברית, ופרופ' ערן אופק ממכון ויצמן. כבר בשלב הראשון התגלית אחראית לתריסר מאמרים אקדמיים שמפורסמים היום, ובימים הקרובים כחמישים מאמרים נוספים יפורסמו.
"התפרצויות קרני גמא הן ההתפרצויות החזקות ביותר מאז המפץ הגדול, ומדענים מנסים להבין איך כל כך הרבה אנרגיה יכולה להתפרץ בכל כך מעט זמן", אומר פרופ' אהוד בכר, מהמחלקה לפיזיקה בטכניון. "למרות שנמדדו כבר למעלה מאלף התפרצויות כאלה, הפיזיקה שמאחורי ההתפרצות עדיין לוטה בערפל. מבחינה אסטרונומית אנחנו יודעים היום לזהות את מקורות ההתפרצויות – ההתפרצויות היותר ארוכות כנראה באות מסופרנובות, והקצרות יותר ממיזוגים של כוכבי נייטרונים. אבל הפיזיקה של הפיצוץ עצמו היא עדיין בגדר תעלומה ועניין למחקר פעיל. השילוב המנצח של גלי כבידה, שמספק לנו את כל הפרמטרים על הכוכבים לפני ההתנגשות, והיכולת למדוד את ההתפרצות בכל הספקטרום האלקטרומגנטי – זה שילוב שיאפשר לנו בעתיד לבנות מודלים פיזיקליים לפיצוץ עצמו".
לדברי פרופ' בכר, כבר הפרסום הראשוני על התגלית החדשה מעלה סימני שאלה לגבי התיאוריה הקיימת. "קרינת גמא נפלטת כסילון. כמעט כל הקרינה נפלטת קדימה, כך שאנחנו נראה אותה רק אם היא תכוון אלינו. והנה, בינגו – בפעם הראשונה הצלחנו למדוד גלי כבידה והתפרצות קרני גמא מאותו מקור, עניין של כמה מעלות בודדות מתוך שמיים של 40 אלף מעלות מרובעות. עכשיו צריך להבין אם במקרה זכינו בלוטו או שטעינו בהנחות היסוד שלנו. אלה שאלות מרתקות, ובכל פעם שאנחנו לומדים משהו חדש אנחנו לומדים שלא הבנו יותר מדי עד כה".
הלובסטר הישראלי בדרך לחלל
פרופ' בכר, יחד עם פרופ' שלומית טרם ועמיתיהם מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, מפתחים בימים אלה גלאי הנקרא Gamma-ray Transient Monitor, שעתיד להשתלב בפרויקט טלסקופ הרנטגן ISS-TAO של נאס"א ולהשתגר לתחנת החלל הבינלאומית ב-2022. המחקר, שנתמך על ידי סוכנות החלל הישראלית, נועד לזהות קרינת רנטגן וקרינת גמא ממקורות חולפים, כמו התפרצויות קרינת גמא.
"התפרצויות גמא הן קצרות מאוד, ואורכות שניות בודדות, אבל האנרגיה ממשיכה להתפשט על פני כל הספקטרום האלקטרומגנטי, מרנטגן ועד לאור הנראה. עם שדה רחב של 400 מעלות רבועות, כמו עיני לובסטר שהן בעלות שדה ראייה רחב מאוד, הגלאי נועד לזהות את המקורות האלה כבר בשניות הראשונות, בתקווה להבין את הקשר בין התפרצויות גמא והתפרצויות רנטגן. מאחר שגלאי גלי הכבידה אינם מסוגלים לתת מיקום מדויק של המקור, אנחנו מקווים שהגלאי שלנו לא רק ימדוד התפרצויות 'בזמן אמת' אלא ייתן גם מידע כיווני, ויעבוד יחד עם גלאי גלי הכבידה כדי לאתר את המקור המדויק של ההתמזגות ולמדוד את מאפייני הפיצוץ".