מסה בינארית שלילית מייצרת קרינת כבידה חסרת תקדים, כך עולה ממחקר

חוקרים זיהו שמערכות בינאריות המורכבות מעצמים בעלי מסה שלילית ייצרו אותות קרינה כבידה בעלי מאפיינים חסרי תקדים ביקום. המחקר החדש, שפותח בשיתוף בין מוסדות מחקר, מציע שמצפיות גלי כבידה יוכלו לזהות את המקורות הללו ולקבוע גבולות נוקשים לקיומה של מסה שלילית בטבע.

תורת היחסות הכללית, שנוסחה על ידי אלברט איינשטיין, מאפשרת באופן מתמטי את קיומם של עצמים בעלי מסה שלילית. למרות אפשרות תיאורטית זו, השאלה היסודית נותרה פתוחה: האם ניתן לבנות המונים כאלה במציאות? העבודה שפורסמה לאחרונה מספקת אסטרטגיית תצפית כדי לענות על שאלה זו על ידי זיהוי דפוסים ספציפיים של קרינת כבידה.

שלוש קטגוריות מסה מגדירות את התנהגותם של עצמים

הפיזיקה מסווגת מסה לשלוש קטגוריות ברורות שקובעות כיצד עצמים מתקשרים עם כוחות כבידה ושדות. מסה אינרציאלית מייצגת את ההתנגדות של עצם לתאוצה כאשר כוח פועל עליו. מסה כבידה פעילה מתארת ​​את יכולתו של העצם ליצור שדה כבידה המשפיע על גופים אחרים סביבו. מסת כבידה פסיבית, בתורה, מכמתת כיצד עצם מגיב לשדה הכבידה שנוצר על ידי עצמים אחרים בחלל.

חוק שימור המומנטום הליניארי מחייב שהמסות הכבידה האקטיביות והפאסיביות יהיו זהות. אם הם היו שונים, התנע שנצבר על ידי אובייקט אחד במהלך אינטראקציה כבידה לא יפוצה על ידי המומנטום שאבד על ידי עצם אחר, תוך הפרה של עיקרון בסיסי של סימטריה בחוקי הפיזיקה. הגבלה זו נובעת ישירות מאינווריאנטיות תרגום מרחבית, כלומר, התכונה שהחוקים הפיזיקליים נשארים ללא שינוי כאשר מערכת משנה מיקום במרחב.

עקרון השקילות מקשר בין תופעות כבידה ואינרציה

עקרון השקילות מהווה יסוד לתורת היחסות הכללית איינשטיין. הוא מניח שהמסה האינרציאלית של עצם שווה למסת הכבידה הפסיבית שלו. הצעה זו מבוססת על מאות שנים של תצפיות ניסיוניות, מעבודתו של גלילאו גליליי ועד מחקרים עכשוויים, כולם מוכיחים שעצמים בעלי מסות שונות מאיצים באופן זהה בהשפעת כוח הכבידה, ללא קשר להרכבם או לגודל המסה שלהם.

כאשר חוקרים דנים באובייקטים היפותטיים בעלי מסה שלילית, הם מניחים לעתים קרובות שגם שימור התנע הליניארי וגם עקרון השקילות נשארים תקפים. הנחה זו מרמזת ששלוש צורות המסה יהיו זהות גם עבור מסות שליליות. עם זאת, עקרון השקילות אומת רק בניסוי עבור מסות חיוביות. עבור מסות שליליות, סימטריה זו עשויה שלא להישמר, מה שפותח תרחישים פיזיים חדשים.

קרינה דו-קוטבית יוצאת ממערכות עם מסות כבידה לא שוות

המאמר שפורסם לאחרונה, שפותח בשיתוף עם חוקרים בולטים, מדגים שמערכת בינארית המכילה שני עצמים בעלי יחסים שונים בין המסה הכבידה והאינרציאלית שלהם תפלוט קרינת כבידה דו-קוטבית. דפוס זה שונה מהותית מקרינת כבידה מרובעת, מהסוג שנצפה בכל הגילויים שאושרו עד כה על ידי גלאי גלי הכבידה LIGO, Virgo ו-KAGRA.

המצב הפיזי דומה למערכת של מטענים חשמליים של סימנים מנוגדים עם מסות אינרציאליות חיוביות. עד כה, לא תועדו עדות לקרינת כבידה דו-קוטבית על ידי מצפה כוכבים. מגבלות התצפית המוטלות על ידי מכשירים אלה על פליטת קרינה דו-קוטבית אפשרית הן מחמירות ביותר, ומגבילות מאוד את התכונות שמערכות כאלה יכולות להפגין.

אפילו בתרחיש שבו היקום הכיל רק מסות שליליות המצייתות בקפדנות לעקרון השוויון, מערכות בינאריות המערבות מסות אלו ייצרו חתימות גלי כבידה שונות בתכלית מאלה המוכרות כיום:

• מערכות בעלות מסה כוללת שלילית מייצרות כוחות דחייה בין הרכיבים, מה שהופך את זה לבלתי אפשרי ליצור מסלולים בינארים יציבים וארוכי טווח.
• מערכות בעלות מסה חיובית כוללת, שבהן המסה השלילית נמוכה בגודלה מהמסה החיובית, מאפשרות מסלולים מעגליים, אך מתפתחות באמצעות התרחבות ולא התכווצות, ומייצרות אותות נגד ציוץ בתדר פוחת
• מערכות עם מסה כוללת אפס מתאימות לפתרונות בלתי מבוקרים פיזית שבהם הזוג מאיץ לכיוון מהירות האור, ושולל תנועה מסלולית תקופתית

אנטי-צ’ירפ יהפוך את החתימה הידועה של מיזוגים

ההבחנה בין ההתנהגות של מערכות בינאריות קונבנציונליות לאלו המכילות מסה שלילית טמונה ביסודה בהתפתחות האנרגטית של המסלול. במערכת בינארית קונבנציונלית עם שתי מסות חיוביות, האנרגיה המסלולית מתחילה שלילית והופכת שלילית יותר ויותר ככל שההפרדה פוחתת. כאשר המערכת מאבדת אנרגיה באמצעות פליטת גלי כבידה, אובדן זה מניע את המערכת לקראת ספירליזציה, ומגדיל את התדרים בהדרגה וברציפות.

לעומת זאת, במערכת חיובית-שלילית עם מסה כוללת חיובית, אנרגיית המסלול מתחילה בערכים חיוביים ויורדת לכיוון אפס ככל שההפרדה גדלה. אותו אובדן אנרגיה עקב פליטת גלי כבידה מוביל אז את המערכת להתרחב במקום להתכווץ. מאפיין זה יפיק אותות אנטי-צ’ירפ, שבהם התדר יורד בהדרגה במקום לעלות, המייצג את ההפך הגמור מהתבנית שנצפה בכל המקורות שזוהו עד כה על ידי קונסורציום LIGO-Virgo-KAGRA.

היעדר אותות נגד ציוץ בקטלוגים הנוכחיים של גלי כבידה מספק מגבלה תצפית ישירה על האוכלוסייה הפוטנציאלית של מערכות בינאריות המערבות מסה שלילית ביקום הנצפה, ומגבילה את השכיחות שלהן לרמות נמוכות במיוחד, אם הן קיימות בכלל.

התגליות האחרונות הציתו מחדש שאלות לגבי שפע המוני שלילי

בחודשים האחרונים, שני פרסומים מדעיים הציעו את קיומה האפשרי של אוכלוסייה שופעת של עצמים בעלי מסה שלילית בקוסמוס. הצעות אלו מעוררות מחדש את הדיונים שהחלו לפני עשרות שנים. בשנת 1957, הפיזיקאי הרמן בונדי פרסם עבודה חשובה ביותר המדגימה כי תורת היחסות הכללית מאפשרת בקפדנות את קיומן של מסות שליליות מנקודת מבט מתמטית.

מאוחר יותר, בשנת 2015, רוברט פורוורד הציג ניתוחים מפורטים המראים כיצד מסות שליליות יכולות, באופן עקרוני, לשמש למערכות הנעה ללא צורך בדלק כימי או רגיל. למרות החקירות התיאורטיות הללו, השאלה הקריטית נותרה פתוחה: האם ניתן לבנות ולשמור מסה שלילית במעבדה או להתקיים באופן טבעי ביקום?

קיומה של מסה שלילית ייצור השלכות עמוקות ומטרידות על הפיזיקה הבסיסית. אובייקטים כאלה יכולים לשמש אבני בניין להנדסת מכונות זמן, תוך הפרה של עקרון הסיבתיות. השלכה זו לבדה מעידה שאם קיימת מסה שלילית, היא חייבת להיות מוגבלת על ידי מנגנונים לא ידועים שעדיין משמרים את המבנים הסיבתיים של היקום.

אסטרופיזיקה של גלי כבידה לא חשפה מקורות בלתי צפויים

העשור האחרון של תצפיות בגלי כבידה, החל מהגילוי ההיסטורי ב-2015, יצר קטלוג חזק של אירועים. עם זאת, כל המקורות שזוהו שייכים לקטגוריות חזויות: מיזוג חורים שחורים והתנגשויות כוכבי נויטרונים. שום מקורות בלתי צפויים לחלוטין לא יצאו מגבול התצפית החדש הזה.

תוצאה זו עומדת בניגוד מדהים לכל ההיסטוריה של האסטרונומיה. בכל פעם שאסטרונומים פיתחו מצפה כוכבים ברצועות חדשות של הספקטרום האלקטרומגנטי, הם גילו תופעות בלתי צפויות באופן קיצוני. טלסקופי רדיו חשפו קרינת רקע מיקרוגל קוסמית, מולקולות בין-כוכביות מורכבות והתפרצויות רדיו מהירים. טלסקופי רנטגן חשפו חורים שחורים המצטברים, קרינת רקע של קרני רנטגן וצבירי גלקסיות עתירי אנרגיה. טלסקופים של קרני גמא זיהו התפרצויות קרני גמא, פולסרים של קרני גמא וקרינת רקע קוסמית של קרני גמא.

היעדר תגליות חדשות לגמרי בגלי כבידה מייצג סטייה בולטת מהמסורת המדעית הזו של גילוי מתמשך של תופעות לא ידועות באמצעות יכולות תצפית חדשות.

מערכות מסה שליליות כיעד תצפית חדש

העבודה שהושלמה לאחרונה מציעה הצעה קונקרטית: מערכות בינאריות המכילות איברי מסה שליליים ייצרו אותות גלי כבידה בעלי תכונות שונות בתכלית מכל מה שנצפה. מערכות אלו מהוות יעדים חדשים בת קיימא עבור מצפי גלי כבידה מבצעיים ועתידיים.

ההשלכות הן כפולות. ראשית, מצפה כוכבים כאלה עלולים לגלות את המקורות הללו אם מסה שלילית אכן קיימת בשפע ביקום בכמויות משמעותיות. שנית, על ידי אי זיהוי החתימות הנבדלות הללו, הגלאים יכולים לקבוע את מגבלות התצפית המחמירות ביותר שהושגו אי פעם על שפע המסה השלילית בכל המבנה הקוסמי, ולחדד באופן דרסטי את הבנתנו את ההרכב הבסיסי של היקום.