חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג׳ פיתחו שיטת ניתוח בייסיאנית המזהה תנודות חלשות ומורכבות בגלי הכבידה שלאחר המיזוג – ועשויה לאפשר בדיקות מדויקות יותר של תורת היחסות הכללית
כששני חורים שחורים מתנגשים ומתמזגים, האירוע האלים אינו מסתיים ברגע המיזוג. החור השחור החדש והגדול יותר ממשיך להתנודד בזמן שהוא מתייצב בצורתו הסופית, וחוקרים פיתחו שיטה חדשה לניתוח התנודות האלה בפירוט רב יותר.
שלא כמו פעמון או מיתר של גיטרה, חור שחור אינו מפיק צליל שאפשר לשמוע. במקום זאת הוא שולח גלי כבידה – אדוות במרחב־זמן שאת קיומן חזה אלברט איינשטיין. גלאים רגישים בכדור הארץ יכולים לקלוט את הגלים האלה ולאפשר למדענים להסיק מהם את המסה ואת קצב הסיבוב של החורים השחורים.
התדירויות האופייניות של התנודות שלאחר המיזוג תלויות בתכונותיו של החור השחור הסופי. משום כך הן משמשות מעין טביעת אצבע שלו, ומדידתן מאפשרת לבחון את תורת היחסות הכללית בתנאי כבידה מן הקיצוניים ביותר ביקום.
התנודות מכונות אופני תנודה קוואזי־נורמליים (quasinormal modes). הן אינן נמשכות לעד: עוצמתן דועכת כאשר החור השחור משחרר את האנרגיה העודפת ומתייצב. השלב הזה באות של גלי הכבידה מכונה ״צלצול״ (ringdown), בדומה לצליל הדועך של פעמון לאחר שמכים בו.
שיטה חדשה מפרידה בין ״צלילי״ החור השחור
ריצ׳רד דאייר וד״ר כריסטופר מור מאוניברסיטת קיימברידג׳ פיתחו שיטה שיכולה לזהות ולקטלג את אופני התנודה בדיוק רב יותר. במחקר, שפורסם בכתב העת Physical Review Letters, הם ניתחו הדמיות מחשב מדויקות של מיזוגי חורים שחורים וזיהו לא רק את ה״צליל״ היסודי של שלב הצלצול, אלא גם צלילים עיליים – תנודות חלשות יותר הדועכות במהירות רבה יותר.
״האופן הרועש ביותר נצפה באופן שגרתי בנתונים של גלי כבידה, אבל הרבה מן האופנים השקטים יותר קשים הרבה יותר לגילוי, ויש ויכוח מתמשך בשאלה אילו אופנים נוכחים ומתי הם מופיעים״, אמר דאייר, המחבר הראשון של המחקר. ״השיטה שלנו מספקת דרך שיטתית ומבוססת נתונים לפתור את אי־הוודאות הזאת, והתוצאות שלנו מספקות אמת מידה למחקרים תאורטיים וגם לתצפיות ממשיות״.
הטכניקה נשענת על ניתוח בייסיאני – גישה סטטיסטית שמשווה בין הסברים מתחרים ומעדכנת את מידת הסבירות שלהם בהתאם לראיות שבנתונים. במקום להוסיף למודל תנודות רבות ככל האפשר ולהסתכן בהתאמת יתר, החוקרים בחנו בכל פעם אם הכללתו של אופן תנודה נוסף משפרת באופן מוצדק את ההסבר לאות.
התנודות החלשות חושפות התנהגות מורכבת
מעבר לתנודות היסוד ולצלילים העיליים, החוקרים זיהו בהדמיות גם אופנים לא־ליניאריים. התנודות האלה מופיעות כאשר שתי תדירויות יסודיות או יותר מקיימות ביניהן יחסי גומלין ויוצרות אות מורכב יותר – בדומה לצלילים שמפיקה גיטרה חשמלית כאשר מנגנים בה עם עיוות צליל כבד.
איתורם של האותות האלה דורש נתונים באיכות גבוהה וניתוח קפדני, משום שיש להפריד תנודות חלשות מן הרעש המספרי ומהתנודות החזקות יותר. החוקרים זיהו גם אופנים הנעים בכיוון מנוגד לסיבובו של החור השחור ואופנים לא־ליניאריים מסדרים גבוהים יותר.
״הצלצול הוא אחד הגלאים הישירים ביותר של חורים שחורים שיש לנו״, אמר דאייר. ״אבל קשה לחלץ את כל המידע שהוא מכיל. רצינו דרך עקרונית ומבוססת נתונים לעשות זאת״.
מפה שיטתית של הצלצול לאחר המיזוג
דאייר ומור בדקו את השיטה באמצעות קטלוג ציבורי של הדמיות מדויקות מאוד, העוקבות אחר גלי הכבידה עד לגבול התאורטי שבו אפשר להגדיר ולמדוד את האות באופן נקי. ההדמיות כללו מיזוגים בעלי מגוון רחב של יחסי מסות ותצורות סיבוב.
בכל אחת מ־13 ההדמיות בחנו החוקרים את שלב הצלצול בזמני התחלה שונים. כך הם יכלו לתעד אילו אופנים אפשר לזהות, מתי הם מופיעים ומתי מודל המבוסס על צלצול בלבד עדיין אינו מתאר היטב את האות. התוצאה היא מפת ייחוס שיטתית של התנודות הצפויות בסוגים שונים של מיזוגי חורים שחורים.
לשאלת זמן ההתחלה יש חשיבות מיוחדת. אם מתחילים לנתח מוקדם מדי, האות עדיין מושפע מן הדינמיקה האלימה של המיזוג ואינו מתנהג כצלצול פשוט. אם מתחילים מאוחר מדי, האופנים החלשים כבר דעכו ונעלמו בתוך הרעש. השיטה החדשה נועדה לזהות את נקודת האיזון ולצמצם את אי־הוודאות בבחירת המודל.
בדיקה מדויקת יותר של התחזיות של איינשטיין
החוקרים אומרים כי התוצאות עשויות לסייע בפירוש תצפיות של גלאי גלי כבידה קיימים, ובהם LIGO ו־Virgo, וגם של מכשירי הדור הבא. הידיעה אילו תדירויות ואילו אופני תנודה צפויים להופיע במיזוג מסוים עשויה לאפשר חיפוש ממוקד יותר אחר אותות חלשים בתוך הנתונים.
מדידה של כמה אופני תנודה מאותו אירוע היא הבסיס ל״ספקטרוסקופיה של חורים שחורים״. לפי תורת היחסות הכללית, המסה והסיבוב של חור שחור מסוג קר צריכים לקבוע את כל תדירויות הצלצול שלו. אם מדידות שונות מאותו חור שחור לא יתאימו לאותה מסה ולאותו סיבוב, הדבר עשוי להצביע על בעיה בתיאור המקובל – או על פיזיקה חדשה.
נכון לעכשיו, האותות החלשים קשים לחילוץ מתצפיות ממשיות, והמחקר החדש נוסה על הדמיות ולא על אירוע יחיד שנקלט בגלאים. עם זאת, מפת האופנים עשויה לשמש אמת מידה שתסייע להפריד בין אות אמיתי, רעש והתאמת יתר כאשר רגישות הגלאים תשתפר.
שאלות ותשובות
האם חורים שחורים באמת משמיעים צליל?
לא. ה״צלצול״ הוא כינוי לתנודות דועכות בגלי הכבידה שהחור השחור פולט לאחר מיזוג. אפשר להמיר את תדירות האות לצליל לצורכי המחשה, אך גלי הכבידה עצמם אינם גלי קול.
מהם אופנים קוואזי־נורמליים?
אלה דפוסי תנודה אופייניים של חור שחור לאחר שהופר משיווי משקל. התדירות וקצב הדעיכה של כל אופן תלויים במסה ובסיבוב של החור השחור, ולכן הם משמשים טביעת אצבע שלו.
מה החידוש בשיטה שפיתחו החוקרים?
השיטה משתמשת בניתוח בייסיאני כדי לקבוע באופן שיטתי אילו אופני תנודה נמצאים בהדמיות ובאילו זמנים, תוך צמצום הסיכון להתאמת יתר. היא מזהה גם צלילים עיליים ואופנים חלשים ולא־ליניאריים.
כיצד המחקר עשוי לבחון את תורת היחסות הכללית?
תורת היחסות חוזה קשר מדויק בין המסה והסיבוב של החור השחור לבין תדירויות הצלצול שלו. זיהוי של כמה תדירויות מאותו אירוע יאפשר לבדוק אם כולן מתאימות לאותו חור שחור כצפוי.
המאמר המדעי
עוד בנושא באתר הידען
- LIGO גילה גלי כבידה ממיזוג קיצוני של חורים שחורים
- התנגשות חורים שחורים עוצמתית מאשרת את תורת איינשטיין ואת תחזית הוקינג
- שיתוף פעולה בין שלושה מצפים הביא לגילוי נוסף של גלי כבידה
- פרס נובל לפיזיקה למגלי גלי הכבידה
- תפקיד הכבידה הגלקטית בהתנגשויות חורים שחורים
לפרסום המקורי: אוניברסיטת קיימברידג׳