צוותי LIGO בארה"ב ו-Virgo באיטליה הודיעו כי הגלאים נרעשו ב-21 במאי מגלי כבידה חסרי תקדים בעוצמתם. הפיצוץ הקוסמי ששלח את הגלים, כמו אדוות מתפשטות במרקם המרחב-זמן, היה מיזוג של שני חורי שחורים, האחד במסה של 85 שמשות והשני במסה של 65 שמשות. התוצאה היא חור שחור ענק במסה של 142 מסות שמש, שמהווה הוכחה ישירה ראשונה לסוג חדש של חורים שחורים. יתרת המסה מהמיזוג – שמונה מסות שמש – השתחררה כגלי כבידה. זהו אירוע גלי הכבידה המסיבי ביותר שנמדד עד כה, והוא גם הרחוק והעתיק ביותר: הפיצוץ עצמו, GW190521, אירע כשהיקום היה כמחצית מגילו היום, ולגלי הכבידה לקח שבעה מיליארד שנה להגיע לכדור הארץ.
כשכדור הארץ התעוות
גלי כבידה, או גלים גרביטציוניים, הם הפרעה מתפשטת של עקמומיות המרחב-זמן. הם מומרים ממסה עודפת כתוצאה מהתמזגות של גופים מסיביים במיוחד, כמו כוכבי נייטרונים וחורים שחורים. לאחר המיזוג, המסה העודפת מתפשטת ביקום במהירות האור, עד שהיא מעוותת קלות את המרחב-זמן שבו נמצא כדור הארץ – עיוות שנמדד בגלאים הרגישים והתת-קרקעיים של LIGO ו-Virgo.
את גלי הכבידה חזה לראשונה אלברט איינשטיין ב-1915, במסגרת תורת היחסות הכללית. מאה שנה לאחר מכן, ב-2015, הם נצפו לראשונה על ידי שותפות הגלאים LIGO/Virgo. ב-2017 זכו ריינר וייס, בארי באריש וקיפ ת'ורן בפרס נובל לפיזיקה על הגילוי ההיסטורי, שייסד ענף חדש באסטרונומיה: אסטרונומיית גלי-כבידה.
הדמיה של אירוע ההתמזגות GW190521
ככלל, כל מה שאנחנו יודעים על היקום סביבנו למדנו מהתבוננות בקרינה אלקטרומגנטית – ראשית באור הנצפה, ולאחר מכן בתדרים אחרים בספקטרום האלקטרומגנטי, כמו רדיו, רנטגן וגמא. אסטרונומיית גלי כבידה עושה שימוש בתופעה שונה לגמרי, שאינה קרינה אלקטרומגנטית, מה שמאפשר לחוקרים לאסוף ראיות תצפיתיות על תופעות שאירעו במרחקים אדירים ובגופים שאינם פולטים אור, כמו חורים שחורים.
"מדבר עצום של ידע"
גלי הכבידה העוצמתיים שעיוותו את מרקם המרחב-זמן של כדור הארץ ב-21 במאי מהווים את הראייה התצפיתית הראשונה לקיומם של חורים שחורים בינוניים (Intermediate-Mass Black Holes), שמסתם בין 100 ל-100,000 מסות שמש. חורים שחורים אלו מסיביים יותר מחורים שחורים כוכביים, שנוצרים כתוצאה מקריסה של כוכבים מסיביים בסוף חייהם, אבל קלים בהרבה מהחורים השחורים העל-מסיביים שיושבים בליבן של גלקסיות.
לחורים שחורים בינוניים חשיבות גדולה באסטרופיזיקה ובקוסמולוגיה: שעה שאנחנו מבינים כיצד נוצרים חורים שחורים כוכביים, היווצרותם של חורים שחורים על-מסיביים, כמו קשת A* במרכז גלקסיית שביל החלב שלנו, היא תעלומה. לפי השערה אחת, חורים שחורים מפלצתיים אלה נוצרו משורה של התמזגויות בין חורים שחורים בינוניים.
"יש לנו חורים שחורים קטנים, בסדר גודל של 10 מסות שמש, שאנחנו מבינים בגדול איך הם נוצרים מקריסה של כוכבים, ויש לנו חורים שחורים על-מסיביים, במסה של מיליון ומיליארד שמשות, שאנחנו לא מבינים מאיפה הם צצו", אומר פרופ' אהוד בכר, ראש המכון לחקר החלל בטכניון. "כעת נשאלת השאלה: איך הם צמחו, איך הם גדלו. הפיזיקאי התיאורטי יגיד: היה קטן – וגדל. אבל האתגר כמובן הוא להראות איפה כל אלה שנמצאים בגילאי הביניים, שעדיין צומחים. עד היום, העדות האלקטרומגנטית העיקרית לחורים שחורים בינוניים הייתה מקורות רנטגן מאוד בהירים בגלקסיות שכנות, שאינם באים ממרכז הגלקסיה אלא הרחק ממנה, ולכן היו חשודים כחורים שחורים בינוניים. אבל זו הייתה רק עדות נסיבתית. וכך נשאר לנו מדבר עצום של ידע: לא מצאנו חורים שחורים בין 10 מסות שמש למיליארד מסות שמש. זה חתיכת פער. התגלית החדשה מסתמנת כעדות הישירה הראשונה לחורים שחורים בינוניים".
לדברי פרופ' בכר, התגלית החדשה מרעישה – אך לא בהכרח מפתיעה. "גלי הכבידה הראשונים שנמדדו ב-2015 היו זוג חורים שחורים, כל אחד במסה של 30 שמשות, שהתמזגו. זה כשלעצמו היה מפתיע, כי גם 30 שמשות זאת מסה נדירה לחור שחור, והרי הם התמזגו לחור שחור חדש במסה של קצת פחות מ-60 שמשות – כאשר שארית המסה הלכה לאיבוד כגלי כבידה. התגלית ההיא רמזה למדענים שפשוט אין להם דרך לראות את המערכות הללו אלא באמצעות גלי כבידה, כי הן לא פולטות קרינה אלקטרומגנטית. אז עדיין היה פער בין 60 מסות שמש למיליארד מסות שמש. כעת הפער מצטמצם: בין 142 מסות שמש למיליארד".
הוא צפוי להמשיך להצטמצם. בימים אלה עובר מערך Virgo האיטלקי-צרפתי שדרוג מסיבי, במטרה לשפר את רגישותו. בנוסף, במאי השנה נחנך KAGRA, גלאי גלי הכבידה הראשון באסיה, ביפן. מערך נוסף נבנה בימים אלה בהודו, וצפוי להצטרף לרשת LIGO-Virgo-KAGRA בשנים הקרובות. ואילו ב-2034 צפויה סוכנות החלל האירופית לשגר את LISA, גלאי גלי הכבידה הראשון בחלל, שיהיה מסוגל לחוש בעיוות המרחב-זמן מהתמזגויות של חורים שחורים גם במסות של 10,000 עד 10 מיליון מסות שמש.