הצליל שאישר את הוקינג: הרגע שבו מאות מדענים עצרו את נשימתם
- גור זיו
- לפני 5 דקות
- זמן קריאה 5 דקות
מאחורי כל תגלית מדעית עומד רגע אנושי אחד. עבור מאות פיזיקאים, הרגע הזה הגיע ב-14 בינואר 2025, כשצפצוף חזק וברור מאי פעם בקע מהיקום. מה הם שמעו? לא רק את ההתנגשות של שני חורים שחורים, אלא את ההוכחה החיה שסטיבן הוקינג צדק כל הזמן. הציצו אל מאחורי הקלעים של התגלית שמשנה את כל מה שידענו על חורים שחורים.
השעה הייתה קצת אחרי שמונה בבוקר, ב-14 בינואר 2025. בחדרי הבקרה של גלאי LIGO בהנפורד, וושינגטון, ובזה שבליווינגסטון, לואיזיאנה, האווירה הייתה רגועה. על המסכים העצומים זרמו נתונים בלתי פוסקים, קווים ירקרקים שרשמו את הרעש הבלתי פוסק של כדור הארץ. מדי פעם, התראה אוטומטית קפצה, מסמנת רעידת אדמה קלה, משאית כבדה שחלפה בסמוך, או סתם גליץ' אקראי במערכת. רוב הזמן, המדענים והמהנדסים התורנים עקבו אחר השגרה, מכיילים מכשירים, מריצים דיאגנוסטיקות, שומרים על המפלצות הטכנולוגיות האלה - שני האינטרפרומטרים הרגישים ביותר שנבנו אי פעם - במצב דריכות שיא. הם הקשיבו ליקום, ורוב הזמן, היקום שתק. אבל אז, בשעה 08:22:03, השקט נשבר. לא היה זה צפצוף רגיל. על המסכים, בתוך הרעש הסטטי, הופיע משהו כל כך ברור, כל כך חד וכל כך עוצמתי, שהוא נראה כמעט לא אמיתי. הקו הירוק התפתל בתבנית מושלמת של ציוץ קוסמי, עולה בתדר ובמשרעת, בדיוק כפי שהתיאוריה חזתה. מיידית, התראות אוטומטיות נשלחו למאות מדענים ברחבי העולם. טלפונים החלו לצלצל, הודעות וואטסאפ וסלאק החלו לזרום. בתוך דקות, קהילת גלי הכבידה כולה הייתה על הרגליים. משהו גדול קרה.
האות, שקיבל את השם הזמני GW250114, לא היה סתם עוד אות. עשור בדיוק חלף מאז התגלית ההיסטורית הראשונה, GW150914, שפתחה את עידן האסטרונומיה של גלי הכבידה. אותו אות ראשון היה כמו לחישה בתוך סופה, הוכחה שהטכנולוגיה עובדת. אבל האות החדש היה משהו אחר לגמרי. הוא היה צעקה. המספר הראשון שהדהים את כולם היה יחס האות-לרעש, ה-SNR. באות הראשון הוא עמד על 26, הישג כביר בזמנו. באות החדש, המספר היה 80. המשמעות הייתה ברורה לכל פיזיקאי בקבוצה: הם לא רק שמעו משהו, הם שמעו אותו בבהירות כמעט מושלמת. זה היה כמו לעבור מצפייה בתמונה מגורענת בשחור-לבן לצפייה בסרט 4K. במיילים ושיחות וידאו נרגשות, חברי שיתופי הפעולה של LIGO, Virgo ו-KAGRA, קהילה גלובלית של יותר מאלף איש, הבינו שהם מחזיקים בידיהם אוצר. האות הזה לא היה רק עוד אישור לתורת היחסות של איינשטיין; הוא היה הזדמנות לבחון את הפיזיקה של חורים שחורים ברמה שאיש לא חלם עליה.
השלב הראשון, כמו תמיד, היה פרנויה מבוקרת. צוותי "אפיון הגלאי" נכנסו לפעולה. הם עבדו כמו בלשים בזירת פשע, מחפשים כל הסבר ארצי אפשרי לאות. האם הייתה פעילות סייסמית חריגה? האם מערכת הוואקום כשלה? האם מישהו פרץ למערכת והזריק אות מזויף? הם בדקו כל לוג, כל חיישן, כל פיסת מידע מהסביבה. במשך שעות מורטות עצבים, הם שללו כל אפשרות. זה היה אמיתי. היקום באמת צעק אליהם. במקביל, צוותי ניתוח הנתונים החלו להריץ את המודלים שלהם. עשרות מחשבי-על ברחבי העולם החלו לטחון את הנתונים, משווים את הציוץ המוקלט למאות אלפי תבניות אפשריות של מיזוגי חורים שחורים. התמונה שהתקבלה הייתה מוכרת, אך חדה מאי פעם. האות הגיע ממיזוג של שני חורים שחורים במרחק עצום מאיתנו. המחשבים פלטו את המספרים: חור שחור אחד עם מסה של כ-33.6 מסות שמש, והשני כמעט תאום, עם 32.2 מסות שמש. שניהם הסתובבו לאט על צירם, כמעט ללא תנועה. הם חגו זה סביב זה במסלול כמעט מעגלי מושלם, עד לרגע ההתנגשות האדירה.
אבל הפרטים הבסיסיים האלה היו רק ההתחלה. עם עוצמה כזו של אות, המדענים יכלו לשאוף גבוה יותר. הם יכלו סוף סוף לבחון שתיים מהתחזיות הנועזות והעמוקות ביותר של הפיזיקה המודרנית, תחזיות שנקשרו בשמו של אחד מגדולי הפיזיקאים של המאה ה-20, סטיבן הוקינג. הראשונה הייתה "חוק השטח של הוקינג" (Hawking's area law). בשנות ה-70, הוקינג הראה, באמצעות חישובים פורצי דרך, ששטח אופק האירועים הכולל של חורים שחורים לעולם לא יכול לקטון. כמו החוק השני של התרמודינמיקה, הקובע שהאנטרופיה (אי-הסדר) ביקום רק גדלה, כך גם שטח החורים השחורים - הוא יכול רק לגדול או להישאר זהה. זו הייתה טענה מהפכנית שקשרה בין כבידה לתרמודינמיקה. עד כה, היה קשה מאוד לבחון אותה. אבל עם GW250114, זה הפך לאפשרי.
קבוצה של מדענים ניגשה למשימה בזהירות כירורגית. הם "חתכו" את קובץ הנתונים לשניים. הם לקחו את החלק הראשון, שלב הספירלה שלפני המיזוג, וניתחו אותו בנפרד כדי לחשב את המאפיינים, ומכאן את שטח אופק האירועים, של שני החורים השחורים המקוריים. אחר כך, הם לקחו את החלק האחרון של האות, את "הצלצול" של החור השחור החדש שנוצר, וחישבו את שטחו. הם התעלמו בכוונה מהשיא האלים של המיזוג עצמו, האזור הכאוטי ביותר. המתח היה אדיר. האם החוק של הוקינג ישרוד את המבחן? התוצאה הייתה חד משמעית. שטח החור השחור החדש היה גדול יותר מסכום השטחים של שני קודמיו, וברמת ודאות סטטיסטית גבוהה. בשיחות הוידאו ובשרשורי המיילים, אנחת רווחה קולקטיבית נשמעה. זו הייתה יותר מעוד תוצאה; זו הייתה הוקרה למורשתו של ענק.
הבדיקה השנייה אולי הייתה אפילו יסודית יותר. היא נגעה במהות קיומם של חורים שחורים. על פי תורת היחסות, חור שחור הוא אובייקט פשוט עד כדי גיחוך. לא משנה ממה הוא נוצר - כוכבים, גז, או אפילו אוסף של כורסאות טלוויזיה - בסוף התהליך נשאר רק אובייקט שניתן לתאר בשלושה מספרים בלבד: מסה, ספין ומטען חשמלי. זהו "משפט האין-שיער". מכיוון שחורים שחורים אסטרופיזיקליים צפויים להיות ניטרליים חשמלית, הם צריכים להיות מתוארים במלואם על ידי מסה וספין בלבד, במה שמכונה "חור שחור מסוג קר" (Kerr black hole). האם זה נכון? האות החדש איפשר להם להקשיב ל"מוזיקה" של החור השחור התינוק שזה עתה נולד.
מיד לאחר המיזוג, החור השחור החדש רוטט, כמו פעמון שהלמו בו בפטיש. הרטיטות האלה, ה"צלצול", הן גלי כבידה שהתדר וקצב הדעיכה שלהם תלויים אך ורק במסה ובספין של החור השחור. התאוריה חזתה "ספקטרום" שלם של צלילים, כמו צליל יסוד וצלילים עיליים. באותות קודמים, המדענים הצליחו לזהות בקושי את הצליל היסודי. אבל ב-GW250114, הנתונים היו כל כך נקיים, שהם הצליחו, לראשונה, לזהות בבירור לא רק את הצליל היסודי, אלא גם את הצליל העילי הראשון! זה היה הישג פנומנלי. הם יכלו כעת לעשות ספקטרוסקופיה של חור שחור. הם בדקו אם היחס בין התדרים של שני הצלילים תואם את מה שצפוי מחור שחור "קר". שוב, התוצאה הייתה מדהימה. הנתונים התאימו לתחזיות של איינשטיין וקר בדיוק מושלם. לחור השחור הזה, שנולד בהתנגשות האדירה ביותר שניתן לדמיין, אכן לא היה "שיער". הוא היה פשוט, עירום, ומושלם.
התגלית של GW250114, שפורסמה לבסוף במאמר של שיתופי הפעולה LIGO, Virgo ו-KAGRA, בראשותו של אדריאן אבאק (A. G. Abac) ועמיתיו, היא ציון דרך. היא מסמלת את המעבר של תחום גלי הכבידה מגילויים ראשוניים למדע מדויק. היא מראה שהטכנולוגיה, שהשתפרה פלאים בעשור שחלף, מאפשרת לנו כעת להשתמש בחורים שחורים כמעבדות לבחינת הפיזיקה הקיצונית ביותר. עבור מאות המדענים שהיו חלק מהמסע הזה, מאותו בוקר של ינואר ועד לפרסום המאמר, זו הייתה חוויה של פעם בחיים. הם לא רק צפו באירוע קוסמי, הם נגעו בקצוות הידע האנושי, הקשיבו לצליל הבראשיתי של חור שחור חדש, ואישרו במחיאות כפיים קוסמיות את התובנות של כמה מהמוחות הגדולים ביותר בהיסטוריה.
המחקר:
תגובות