ב-29 ביוני פרסמו חמישה צוותים עצמאיים של אסטרונומי רדיו סדרה של מאמרים שהציגו עדויות לכך שהיקום מלא בגלי כבידה שנוצרו על ידי התנגשות חורים שחורים על-מסיביים. הצוותים של צפון אמריקה, אירופה, הודו, סין ואוסטרליה עקבו אחר כוכבים גוססים המסתחררים במהירות הידועים כפולסרים כדי לאסוף מידע על גלי כבידה.
"התוצאות שהוצגו היום מסמנות את תחילתו של מסע חדש אל תוך היקום כדי לחשוף כמה מהתעלומות הבלתי פתורות שלו", מייקל קית' (Michael Keith), מרצה לאסטרופיזיקה במרכז ג'ודראל בנק באוניברסיטת מנצ'סטר וחבר במערך התזמון הפולסר האירופי (EPTA), אמר בהצהרה.
גלי כבידה הן אדוות במרקם המרחב-זמן הנעות ברחבי היקום במהירות האור. למרות שאלברט איינשטיין חזה את קיומם ב-1916, לקחו כמעט מאה שנים עד שתנודות החלל-זמן זוהו על פני כדור הארץ על ידי מצפה גלי הכבידה (LIGO) ב-2015.
גלי כבידה גורמים לחלל להימתח ולהידחס. על ידי מדידה קפדנית של האופן שבו אובייקטים בחלל משנים את מיקומם זה ביחס לזה, מדענים יכולים להסיק מעבר של גל כבידה. LIGO עקבה אחר האופן שבו אורכן של מנהרות באורך 4 ק"מ השתנה בפחות מאלפית מגודלו של פרוטון. הודות להישג ההנדסי הזה, ב-2015 החוקרים זיהו גלי כבידה שנוצרו על ידי חורים שחורים שמסיביים בעשרות מונים מהשמש. אבל כדי לזהות את רעש התדר הנמוך של גלי כבידה המיוצרים על ידי חורים שחורים על-מאסיביים, המסיביים פי מיליארדים מהשמש, צריך גלאי גדול בהרבה מגודלו של כדור הארץ.
אסטרונומים מודדים כיצד המרחק בין כדור הארץ לפולסרים בשביל החלב משתנה בגלל גלי כבידה שעוברים בגלקסיה שלנו. זה ידוע בתור מערך תזמון פולסר (PTA - pulsar timing array). פולסרים הם שרידים של פיצוצי סופרנובה: כוכבים גוססים שקורסים לכוכבי נייטרונים ממוגנטים מאד ומסתובבים 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.
הציד הקוסמי שנמשך 15 שנים חשף סוף סוף את הרמזים הראשונים לאות גלי הכבידה שנוצרו ככל הנראה על ידי חורים שחורים על-מסיביים. "כשראיתי את תבנית גלי הכבידה מגיחה, קיבלתי פרפרים בבטן", אמר סטיבן טיילור (Stephen Taylor) מאוניברסיטת ונדרבילט ויו"ר NANOGrav בתדרוך עיתונאים.
"פולסרים הם שעונים טבעיים מצוינים", אמר דיוויד צ'מפיון (David Champion), מדען במכון מקס פלנק לאסטרונומיה רדיו ו-EPTA. "אנחנו משתמשים בקביעות המדהימה של האותות שלהם כדי לחפש שינויים זעירים בתקתוק שלהם כדי לזהות את המתיחה והדחיסה העדינות של המרחב-זמן."
האסטרונומית הבריטית ג'וסלין בל ברנל צפתה בפולסר הראשון בשנת 1967. במהלך 15 השנים האחרונות, אסטרונומי רדיו מהצוותים השונים עקבו בקפידה אחר הפולסים של כ-100 פולסרים מסתובבים במהירות. "פולסרים הם למעשה מקורות רדיו חלשים מאד, ולכן דרושות אלפי שעות בשנה של הטלסקופים הגדולים בעולם כדי לבצע את הניסוי הזה", מאורה מקלוהן (Maura McLaughlin), פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת מערב וירג'יניה ובמצפה ננוהרץ לגלי כבידה (NANOGrav), אמרה בהצהרה נפרדת.
במקום לזהות גלי כבידה בודדים שעוברים דרך שביל החלב, חמשת הצוותים השונים חוקרים את כל הרקע של גלי כבידה בתדר נמוך שממלא את הקוסמוס. התנודות האיטיות במרחקים בין הפולסרים לכדור הארץ הן זעירות ביותר - בסדר גודל של חלק אחד לאלף מיליון מיליון - ואסטרונומים צריכים למדל בקפידה את כל מקורות הרעש האפשריים המופיעים גם בתצפיותיהם, כולל ענני גז ואבק שפולסי הרדיו עוברים דרכם, תנועת כדור הארץ בחלל, כמו גם תזוזה של הטלסקופים עקב תנועת היבשות שעליהן הם עומדים.
למרות שהאות עדיין לא מגיע לתקן הזהב לזיהוי שנקבע על ידי הקהילה המדעית, האסטרונומים מרגישים בטוחים שהתוצאה שלהם מספקת "ראיות משכנעות" לרקע של גלי כבידה שכנראה נוצר על ידי זוגות של חורים שחורים עצומים.
לרוב הגלקסיות יש חור שחור ענק במרכזן (כמו קשת A* של שביל החלב עצמו וה-*M87 הרחוק שצולם לאחרונה על ידי טלסקופ אופק האירועים). למפלצות הקוסמיות הללו יש מסה הנעה בין כמה מאות אלפי פעמים מסת השמש ועד פי עשרות מיליארדים מזו של השמש. כאשר גלקסיות מתנגשות, החורים השחורים הענקיים שלהן יכולים להתקרב זה לזה. כשהם מקיפים זה את זה בוואלס קוסמי איטי אך בלתי פוסק, הם פולטים את גלי הכבידה בתדר נמוך שהאסטרונומים חיפשו.
"עכשיו סוף סוף יש לנו ראיות חזקות לכך שרבים מהבינאריים המאסיביים והקרובים הללו אכן קיימים. ברגע ששני החורים השחורים מתקרבים מספיק כדי להיראות על ידי מערכי תזמון פולסר (PTA), שום דבר לא יכול למנוע מהם להתמזג תוך כמה מיליוני שנים בלבד", לוק קלי (Luke Kelley), עוזר פרופסור לאסטרונומיה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ויו"ר קבוצת האסטרופיזיקה של NANOGrav, אמר בהצהרה.
תהליכים פיזיקליים עזים שקרו לאחר המפץ הגדול יכולים גם הם לתרום לרקע גלי הכבידה. כשהצוותים משלבים את מערכי הנתונים שלהם וממשיכים בתצפיותיהם, הם יחקרו ביתר פירוט הן את המאפיינים של זוגות החורים השחורים הענקיים ואולי אפילו את הפיזיקה האקזוטית ביקום המוקדם. "הנתונים המשולבים שלנו יהיו הרבה יותר חזקים", אמר טיילור. "אנחנו נרגשים לגלות אילו סודות הם יחשפו על היקום שלנו."
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 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.
מקורות:
