גלי כבידה בתדרים נמוכים (בטווחי המגה-הרץ) קיימים, והם מתפשטים ברגעים אלה ממש ברחבי היקום – כך עולה מסדרה של מאמרים שהתפרסמה היום (חמישי) ב-The Astrophysical Journal Letters. מאחורי התגלית ההיסטורית עומדים יותר מ-190 אסטרופיזיקאים מארה"ב ומקנדה, שבמשך 15 שנה השתמשו בפולסרים – כוכבים אקזוטיים שמסתובבים בדיוק של שעונים אטומיים – כבגלאי גלי כבידה עצום ממדים. התוצאות של המדענים מצפון אמריקה, שהושגו במסגרת יוזמת Nanohertz for Gravitational Waves (או בקיצור: NANOGrav), אושרו באופן עצמאי על ידי צוותים בינלאומיים שהשתמשו במצפי כוכבים באירופה, בהודו, בסין ובאוסטרליה.
איינשטיין צדק, פעמיים
תורת היחסות הכללית של איינשטיין חוזה כי בהתנגשות של גופים מסיביים במיוחד, כמו שני כוכבי נויטרונים או שני חורים שחורים, המסה העודפת תשחרר כמעין אדוות שיתפשטו במהירות האור ויעוותו את המרחב והזמן. ב-2015, בדיוק מאה שנה אחרי שאיינשטיין פרסם את תורתו, הגלאי LIGO גילה את גל הכבידה הראשון מהתנגשות כזאת, כשהגל עבר את כדור הארץ ועיוות רגעית את המרחב. התגלית ייסדה למעשה ענף חדש במדע האסטרונומיה, והראשון שאינו משתמש בקרינה אלקטרומגנטית: אסטרונומיית גלי כבידה.
שלא כמו גלי כבידה בתדרים גבוהים, גלי כבידה בתדרים נמוכים נמשכים זמן רב יותר אבל העיוות שלהם עדין מאוד. גלים אלו היו תיאורטיים עד כה, שכן כדי לגלות אותם צריך גלאי רגיש בהרבה מ-LIGO או מ-Virgo – גלאי שיהיה גדול מכל כדור הארץ. כדי לפתור את הבעיה, המדענים מיוזמת NANOGrav השתמשו בפולסרים בגלקסיית שביל החלב שלנו בתור גלאי.
פולסר הוא שריד דחוס במיוחד מליבה של כוכב מסיבי שהתפוצץ בסופרנובה. הפולסרים מסתובבים סביב עצמם במהירות אדירה, כשהם משחררים אלומות גלי רדיו מהקטבים – מעין מגדלורים קוסמיים. מנקודת המבט שלנו בכדור הארץ, כוכבים אלה נראים כ"פועמים" (ומכאן שמם: Pulsar, הלחם של "דופק" ו"כוכב"), כאשר המהירים ביותר מביניהם נקראים פולסרים של מילי-שניות, והם מסתובבים מאות פעמים מדי שנייה. הפולסים של פולסרים אלה יציבים להפליא, עד כדי דיוק של שעון אטומי.
במשך 15 שנה, ב-NANOGrav השתמשו במצפי הרדיו העוצמתיים בעולם – מצפה הכוכבים ארסיבו בפורטו ריקו (שנהרס בינתיים, ב-2020), גרין בנק טלסקופ במערב וירג'יניה ו"המערך הגדול מאוד" בניו מקסיקו – כדי למדוד את הווריאציות הקלות ביותר, בפחות ממיליונית השנייה, בזמני הגעת אלומות הרדיו החלושות מהפולסרים הרחוקים. על ידי מתיחת וכיווץ מארג החלל, גלי הכבידה אמורים להשפיע על התזמון של כל "פעימה" כזאת באופן מזערי אך צפוי, כשהם מזרזים חלק מהאותות ומעכבים את האחרים.
צוות המדענים בניסוי עקב אחר 68 פולסרים של מילי-שניות, וגילו התאמה מושלמת בין המיקום שלהם בשמיים לווריאציות בזמני הגעת האותות. במילים אחרות, גלי כבידה שינו את המרחקים בין הפולסרים לטלסקופים בכדור הארץ. ה"המהמום" הזה נמדד באופן עקבי לכל אורך 15 שנות הניסוי וזה אומר, שגלי הכבידה מתפשטים במשך שנים או אפילו עשרות שנים.
חורים שחורים על-מסיביים – או פיזיקה חדשה לחלוטין?
אך מה יכול לגרום לגלי כבידה "כבדים" ועוצמתיים כל כך? לפי פרשנות אחת, מקור גלי הכבידה הללו הוא במערכות בינאריות של חורים שחורים על-מסיביים.
אותם חורים שחורים אדירים, שמסתם יכולה להגיע גם לפי מיליונים ממסת השמש שלנו, נמצאים במרכז הגלקסיות המסיביות – כמו למשל החור השחור העל-מסיבי קשת A*, שנמצא בלב גלקסיית שביל החלב. אלא שגלקסיות מתמזגות זו עם זו, בדומה להתמזגות העתידית של שביל החלב עם גלקסיית אנדרומדה. ובמשך עשורים רבים, מדענים התווכחו על השאלה אם שני חורים שחורים על-מסיביים יכולים למצוא זה את זה ולהקיף זה את זה, ואם כן – מהם הכוחות שידחפו אותם אחד לעבר השני בקרבה שתייצר גלי כבידה?
עד היום לא נמצאה אף ראיה תצפיתית למערכת של שני חורים שחורים על-מסיביים, אבל גלי הכבידה שהתגלו היום עולים בקנה אחד עם דפוס הגלים שמערכת כזאת אמורה לייצר. אפשרות אחרת, אקזוטית עוד יותר, היא שגלי הכבידה שנסחפים ביקום שלנו נוצרו שבריר של שנייה אחרי המפץ הגדול עצמו – כלומר שאלו הם גלי הכבידה מיצירת היקום, המקבילה לקרינת הרקע הקוסמית. אם זה נכון, התגלית היום מספקת לנו הצצה ראשונה למפץ הגדול – ופותחת פתח לפיזיקה חדשה לחלוטין.
אם גלי הכבידה שנמדדו אכן השתחררו עם אירוע המפץ הגדול, ניתוח דפוס הגלים יאפשר למדענים להבין את תנאי הפתיחה של היקום באופן שאף טלסקופ, עוצמתי ככל שיהיה, לא יראה לעולם, שכן היקום היה אטום לגמרי בראשיתו. הצצה שכזאת צפויה לענות על כמה מהשאלות הפתוחות הגדולות ביותר במדע, כמו טבעו של החומר האפל, להבין מה קורה לכוחות היסוד באנרגיות גבוהות שלא ניתן לשחזר באף מאיץ חלקיקים, ואולי אפילו לאחד סוף סוף בין תורת היחסות הכללית למכניקת הקוונטים.
לעת עתה, החוקרים שומרים על זהירות, והם לא ממהרים לקבוע אם האות שגילו הוא ממקור אסטרופיזי (חורים שחורים) או קוסמולוגי (המפץ הגדול). הם ממתינים לשיפור היכולות של מצפי הכוכבים בשנים הקרובות, במטרה לאפיין טוב יותר את גלי הכבידה החדשים.
