חיפוש אחר גלי כבידה ברעש קוסמי |
||||||||||
דף עבודה לתלמיד תרגום ועריכה: נדיה קרסניאנסקי, המרכז הארצי למורי הפיזיקה ובית ספר תיכון בית ירח Science Icebreaker Activities: An Example from Gravitational המקור: Wave Astronomy by Michelle B. Larson, Louis J. Rubbo, Kristina D. Zaleski and Shane L. Larson, the Pennsylvania State University. רקע (1) מהם גלי כבידה? תורת היחסות הכללית של איינשטיין הצליחה לאחד שני מושגים שונים לכאורה, המרחב והזמן, למושג אחד חדש, מרחב-זמן. אחד מניבויי תורה זו מתייחס לתופעה שמתרחשת כאשר גופים בעלי מסה גדולה מאוד, כמו כוכבים, נעים במסלולם. בדומה לגלים המתפשטים על פני המים כאשר סירה שטה בהם, תנועת מסות גדולות תעורר גלים במרחב-זמן עצמו. גלים אלה יתפשטו ביקום במהירות האור ויגרמו לעיוות של מרחב. מערכות כוכבים בעלי מסה גדולה מאוד, הנעים במסלול מעגלי זה סביב זה יגרמו להיווצרות גלי כבידה מחזוריים, שניתן לאפיין באורך גל ותדירות, התלויים בקצב תנועתם של הכוכבים. חשוב להדגיש שגלי כבידה טרם התגלו, אבל מדענים רבים עובדים על כך ומפתחים רעיונות וטכנולוגיות חדשות, כך שמומחים העובדים בתחום סבורים שניתן יהיה להוכיח את קיומם כבר בעתיד הקרוב. (2) מדוע חשוב לגלות את גלי הכבידה? ראשית, כמובן, חשוב לגלות סוג חדש לגמרי של קרינה ולאשר בכך את הניבוי של תורת היחסות הכללית. אבל חשיבותה של תגלית זו תהיה גדולה בהרבה, מפני שהיא תפתח "חלון חדש ליקום" ותאפשר לחקור מערכות כוכבים וחורים שחורים על סמך גלי הכבידה שהם פולטים ולקבל מידע חדש הודות התהליכים המתרחשים בהם. (3) איך ניתן לגלותם? גלאים שנבנו בשנים אחרונות, כמו LIGO הנזכר בפעילות, משתמשים בלייזר כמקור אור מונוכרומטי, מפצלים את האלומה לשתיים בעזרת מראה חצי חדירה ועוקבים אחרי תמונת ההתאבכות המתקבלת. מכשירים מסוג זה ידועים בשם אינטרפרומטרים. ייחודו של LIGO באורך זרועותיו, המגיע לארבעה קילומטרים, דבר שמכנה לו רגישות מדהימה. גלי כבידה המגיעים לגלאי אמורים לשנות במקצת את אורך הזרועות שלו וזה יתבטא בשינויים בתמונת ההתאבכות. רגישותו של LIGO גבוהה עד כדי כך שהוא מסוגל לגלות שינוי באורך הזרועות של פחות ממאית קוטרו של גרעין אטום המימן! שיטות המדידה בניסויים שאנו מבצעים במעבדת בית הספר, מודדים, בדרך כלל, מספר מצומצם של גדלים פיסיקליים פעמים מעטות. מדענים שמנסים לזהות גלי כבידה, בעזרת מחשב וגלאים מיוחדים כמו LIGO מודדים ומקליטים אלפי נתונים בו זמנית וכל הזמן. בחלק מהפעמים מתבצעת מדידה אחת בשנייה, ובחלק אחר מתבצעות יותר מ-16,000 מדידות בשנייה אחת. על סמך מדידות אלה מדענים בונים גרפים ומחפשים בעזרתם חוקיות. בתרשים מוצגת דוגמה אחת לגרף שהתקבל בדרך הזאת.
שימו לב שהעקומה אינה חלקה. קיימות בה תנודות מעלה-מטה המהוות כ-20% מהסטייה הכוללת על הציר האנכי. מדענים מכנים תנודות כאלה בשם רעש. הוא מופיע ברמה כלשהי כמעט בכל מדידות אמיתיות שמתבצעות לאורך זמן. הרעש במדע הוא מושג הרבה יותר רחב מסתם צליל. הרעש מיצג סטיות בנתונים הנובעות מסיבות שונות ומקשה מאוד על גילוי החוקיות שאותה מחפשים. הרעש מופיע ברמה כלשהי כמעט בכל מדידות אמיתיות שמתבצעות לאורך זמן. בגרף שמוצג בתרשים הנ"ל, קל להבדיל בין האות לרעש, במיוחד בנפילה החדה בחלק הימני של הגרף. בפעילות הזאת אתם תחפשו אחרי עדות לקיומם של גלי כבידה. למרות שהנתונים בהם תשתמשו הם סימולציה ולא נתונים שהוקלטו באמת על ידי גלאי, התרגיל מדגים טוב את השיטות בהן משתמשים מדענים בכל תחומי המדע כדי לאתר אותות אמיתיים. הוראות לביצוע לרשותכם ארבע עקומות של תוצאות מדידות, המודפסות על דפים שקופים (ממוספרים מ-1 עד 4). שימו לב שכל עקומה מורכבת מאות המלווה בהרבה רעש. בנוסף, לרשותכם ארבעה סטים המסומנים באותיות, M,C,P,ו-X. כל סט מכיל שישה גרפים שונים, הממוספרים גם הם לפי הסדר, מ-1 עד 6. הגרפים בנויים בעזרת משוואות מתמטיות המתארות פליטת גלי כבידה על ידי מערכות כוכבים שונות. גרפים בסט M, למשל, מתארים מערכת בינארית של שני כוכבים בעלי מסות גדולות ומימדים קטנים, כמו שני ננסים לבנים, החגים סביב מרכז משותף במרחק גדול זה מזה. מערכת כזאת אמורה לפלוט גלי כבידה מונוכרומטיים בקרוב טוב. מדענים חושבים שגלי כבידה יתגלו באופן דומה בנתונים אמיתיים. עליכם לגלות את האות בכל אחת מן העקומות שהתקבלו במדידות. לשם כך עליכם להתאים כל עקומה לאחד מהגרפים התיאורטיים על ידי הנחת העקומות בזו אחר זו על כל אחד מהגרפים שברשותכם וחיפוש אלה הנראים לכם כמתלכדים בצורה הטובה ביותר. רשמו את התוצאות שהגעתם אליהן בטבלה הבאה. טבלה: אפיון אותות של גלי כבידה
שאלות לדיון א. האם הייתה הסכמה מלאה בין חברי קבוצתך בבחירת הגרפים המתאימים ביותר לתוצאות המדידות שהוצגו? מה דעתך, האם מדענים תמיד מסכימים אחד עם השני בבחירת המודלים המתאימים ביותר לתוצאות המדידות? הסבר. ב. מדענים נעזרים במודלים כדי לשפר הבנתם של התנהגות מערכות אמיתיות. אחת המטרות בבניית מודלים היא לפשט את המערכת הנחקרת. האם שימוש במודלים בפעילות זו עזר להבנה היותר טובה של תוצאות המדידות? האם המודלים האלה מפשטים את המערכת האמיתית? ג. אסטרונומים היום משתמשים במחשב כדי לבנות מודלים של מערכת השמש, כוכבים, גלקסיות וצבירי גלקסיות. מדוע המודלים חיוניים? במה הם עוזרים? מדוע האסטרונומים אינם מסתפקים בחקר הגלקסיות עצמן? לקריאה נוספת: קישורים לשני מאמרים פופולאריים על גלי כבידה בעברית: נספח: (2) קישורים לקבצי הנתונים הרלוונטיים (הקישורים מופיעים גם בדף העבודה המקורי):
|
||||||||||
|
||||||||||
.jpg)
.jpg?BannerID=44 "תהודה")
.jpg?BannerID=55 "מש-ר פנימי")
.gif?BannerID=45 "חדשות המדע פנימי")
