איך מגלים גלי כבידה

אי שם זוג בינארי של חורים שחורים הסתובבו במסלול אליפטי והחלו לנוע זה לעבר זה. התדירות הזוויתית הסיבובית שלהם החלה לגדול ולגדול והמרחק ביניהם הלך וקטן. הם הסתובבו זה לעבר זה בעוד הם מעוותים את המרחב-זמן. בתהליך זה הם איבדו אנרגיה ופלטו גלי כבידה שנעו להם על פני מארג היקום במהירות האור. שני החורים השחורים לבסוף הגיעו למצב שבו הם התנגשו זה בזה והפכו לחור שחור אחד ענק. החור השחור הענק הזה איבד עוד ועוד אנרגיה ופלט גלי כבידה בקצב הולך וגובר

למרות שגלי כבידה נוצרים על ידי גופים מאוד מסיביים ביקום, כמו חורים שחורים שמתנגשים זה בזה ומתמזגים, גלי הכבידה עצמם הם תנודות מאוד זעירות בחלל. גלי הכבידה הם בעוצמה כה קטנה שלמעשה הם יגרמו להתמתחות ולכיווץ של המרחב-זמן בסדר גודל של 10 מיליונית מרוחבו של האטום. במצב הזה לגלות אותם זה כמו לחפש מחט בערמת שחת. קיוו מאוד לחפש גלי כבידה בעזרת

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)

אולם החיפושים העלו חרס. למען האמת היו עדויות עקיפות לקיומם של גלי כבידה מהתנהגות פולסרים, כוכבי נויטרון שמסתחררים במהירות רבה ומשחררים קרני אור. בתצפיות הפולסר מצאו איבוד אנרגיה כתוצאה מקרינת גלי כבידה, מה שזיכה את החוקרים שגילו זאת בפרס נובל ב-1993. אולם גילוי זה היה עקיף מכיוון שהחוקרים לא הצליחו למדוד ממש את גלי הכבידה ולבחון את גלי הכבידה. מכיוון שליגו לא גילה גלי כבידה בנו מכשיר משוכלל יותר שקרוי

Advanced LIGO

מכשיר זה הוא פי שלוש רגיש יותר מקודמו והוא מתוכנן לגלות גלי כבידה בטווח של מיליונית המיליונית…. מרוחבו של האטום

גלי הכבידה נקלטו במכשיר מאוד דומה למכשיר ששימש את מיקלסון ומורלי ב-1887 כדי לגלות האם כדור הארץ נע דרך האתר. מיקלסון ומורלי קיבלו תשובה שלילית אבל לא כך היה עם גלי הכבידה

אולם אותו מכשיר שנקרא האינטרפרומטר של מיקלסון הוביל לפני כמה ימים לתשובה חיובית בנוגע לגלי הכבידה. מאז 1887 עברו שנים רבות ובינתיים הומצא הלייזר ומשתמשים במקום בקרני אור בקרני לייזר באינטרפרומטר של מיקלסון והמכשיר עבר שכלולים רבים. לאחרונה אפילו המכשיר עבר שדרוגים נוספים ובספטמבר האחרון לאחר ששופץ ושוכלל הוא היה מוכן לגילוי גלי הכבידה

מהו האינטרפרומטר שבעזרתו גילו את גלי הכבידה? אור ממקור לייזר שולח שתי אלומות אור למפצל (מראה חצי מעבירה). שתי האלומות מתפצלות לשני כיוונים מאונכים זה לזה. אלומת לייזר אחת נעה במסלול אנכי של האינטרפרומטר והאלומה השנייה נעה לאורך המסלול השני. בקצה כל מסלול ממוקמת מראה מחזירה. אורכו של כל מסלול הוא 4 קילומטר. אבל אנחנו מדברים במונחים אסטרונומיים ומודדים גלי כבידה מגופים שמימיים. לכן 4 קילומטר הוא מרחק קטן מידי. הפתרון לבעיה הזו הוא לגרום לשתי אלומות הלייזר לנוע הלוך ושוב על כל מסלול מספר רב של פעמים בין מראות מחזירות. דבר זה גורם להיווצרות גלים עומדים בתדירות התהודה שלהם. זוהי שיטת הגברה של עוצמת הגלים שבה השתמשו החוקרים בניסוי

מיקלסון

 מכאן

הסבר כאן

החוקרים מתארים במאמר שלהם שיטות שנועדו להתגבר על ההפרעות והרעשים שקשורים בפוטונים וככה להעלות את הרגישות של המכשיר על מנת לגלות את גלי הכבידה. אחת השיטות היא “שחזור אנרגיה”. החוקרים מקמו מראה משחזרת במסלול קרן הלייזר, שנועדה להחזיר את קרן הלייזר וליצור גלים עומדים בתדירות התהודה שלהם וככה להגביר את עוצמת הגלים

אחרי שכל קרן לייזר נעה מספר רב של פעמים על כל מסלול, שתי הקרניים מכל מסלול משתלבות יחד מחדש במפצל ומשם מגיעות לגלאי

אם לא עוברים באינטרפרומטר גלי כבידה, לאלומת האור לוקח זמן זהה לנוע הלוך ושוב לאורך שני המסלולים ואין הפרש פאזה בין שתי האלומות והן משתלבות יחד לכדי תבנית התאבכות הורסת בגלאי. מדובר בפוטו-גלאי ולכן כתוצאה לא מגלים שום אור בגלאי. במידה וגל כבידה חולף במהלך המסלול של אחת מאלומות האור, זמני המסע עבור קרני הלייזר בשני המסלולים משתנים ואז מתגלה סיגנל אור בגלאי

גלי כבידה הם רוחביים בדיוק כמו גלים אלקטרומגנטיים ולכן הם מתפשטים במאונך למישור שבו הם מתנודדים. גל כבידה שנע בניצב למישור הדף מעוות טבעת של חלקיקים לכדי אליפסה של חלקיקים. האליפסה הזו מוארכת בכיוון אחד בחצי מחזור תנודה של הגל ומוארכת בכיוון המאונך בחצי המחזור השני. ניתן למדוד את העיוות הזה שנגרם מהתנודה של הגל באינטרפרומטר. מסלול קרן האור האופקי יראה ארוך יותר ומסלול קרן האור האנכי יראה קצר יותר, כאשר גלי הכבידה מתרחבים בכיוון האופקי ומתכווצים בכיוון האנכי

gravity

אלומת אור שעוברת דרך גל הכבידה עוברת שינוי באורך הגל. פירושו למשל שאלומת האור הנעה על המסלול האופקי תעבור מסלול ארוך יותר מאשר האלומה האנכית. ככה נקבל הפרש פאזה בין שתי אלומות האור. כאשר בסוף שתי הקרניים האופקית והאנכית ישתלבו ויועברו לגלאי הוא יגלה השפעה של גלי הכבידה

 

 

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s