מיזוג חורים שחורים: הזיהוי הראשון של תדרי צלצול מרובים   

מיזוג של שניים חורים שחורים יש שלושה שלבים: שלבי השראה, מיזוג ו-ringdown. מאפיין גלי כבידה נפלטים בכל שלב. שלב ה-ringdown האחרון הוא קצר מאוד ומקודד מידע על מאפיינים של סופי חור שחור. ניתוח מחדש של נתונים מבינארי חור שחור אירוע המיזוג GW190521 סיפק, בפעם הראשונה, עדות לרעידות משנה חתימות של המיזוג בצורה של שני תדרים נפרדים של צלצול קלוש שהופק על ידי הסינגל שנוצר חור שחור כפי שהתייצב לצורה סימטרית יציבה. זהו הזיהוי הראשון של תדרי גלי כבידה מרובים בשלב ההטבעה. בדיוק כמו שפעמון 'מצלצל' במשך זמן מה לאחר שנתקע, הסינגל שנוצר התעוות חור שחור נוצרו לאחר המיזוג "מצלצלים" במשך זמן מה פולט חלש גלי כבידה לפני השגת צורה יציבה סימטרית. ובדיוק האופן שבו צורת הפעמון קובעת את התדרים הספציפיים שבהם מצלצל הפעמון, באופן דומה, לפי משפט ללא שיער, המסה והספין של הפעמון. חור שחור לקבוע את תדרי הצלצול. לפיכך, התפתחות זו סוללת את הדרך לשימוש בתדרי צלצול ללימוד מאפיינים של סופי חור שחור.  

חורים שחורים הם עצמים מסיביים עם שדות כבידה חזקים במיוחד. כאשר שניים מסלול חורים שחורים מסתחררים אחד סביב השני ובסופו של דבר מתלכדים, המרקם של שטח-פעמים סביבם מופרעים שיוצרים אדוות של גלי כבידה מקרין החוצה. מאז ספטמבר 2015 כאשר אסטרונומיה של גלי כבידה החלה עם הזיהוי הראשון של LIGO של גלי כבידה נוצר על ידי מיזוג של שניים חורים שחורים במרחק של 1.3 מיליארד שנות אור, מתמזגים חורים שחורים כעת מתגלים באופן שגרתי כמעט פעם בשבוע.   

מיזוג של חורים שחורים בעל שלושה שלבים. כאשר השניים חורים שחורים מופרדים מאוד, הם לאט לאט מסלול אחד את השני פולט חלש גלי כבידה. הבינארי עובר בהדרגה לקטן יותר ויותר מסלולים כמו האנרגיה של המערכת אובדת בצורה של גלי כבידה. זה שלב ההשראה של התלכדות. הבא הוא שלב המיזוג כאשר השניים חורים שחורים להתקרב מספיק כדי להתלכד כדי ליצור סינגל חור שחור עם צורה מעוותת. גלי הכבידה החזקים ביותר (GWs) נפלטים בשלב זה, אשר כעת מזוהים ומתועדים באופן שגרתי על ידי מצפי גלי כבידה.  

שלב המיזוג מלווה שלב קצר מאוד שנקרא שלב ה-ringdown שבו הסינגל שנוצר התעוות חור שחור משיג במהירות צורה כדורית או כדורית יציבה יותר. גלי כבידה הנפלטים בשלב ה-ringdown הם דחוסים וחלשים הרבה יותר מה-GWs ששוחררו בשלב המיזוג. בדיוק כמו שפעמון 'מצלצל' במשך זמן מה לאחר שנתקע, הסינגל שנוצר חור שחור 'צלצלים' במשך זמן מה פולט הרבה יותר חלש גלי כבידה לפני השגת צורה יציבה סימטרית.  

תדרי הצלצול המרובים הקלושים של גלי כבידה שוחרר במהלך שלב הביטול של מיזוג של שניים חורים שחורים לא זוהו עד כה.  

צוות מחקר הצליח לאחרונה בזיהוי תדרי גלי כבידה מרובים בשלב ההחלפה של בינארי חור שחור אירוע המיזוג GW190521. הם חיפשו צלילי דהייה אינדיבידואליים בתדרים של הצלצול מבלי לשקול קשר כלשהו עם תדרים וזמני שיכוך והצליחו לזהות שני מצבים המרמזים על העיוות שנוצר. חור שחור פלט לפחות שני תדרים לאחר המיזוג. זה נחזה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין ולכן התוצאה מאשרת את התיאוריה. יתר על כן, החוקרים השוו את התדרים וזמני השיכוך של שני מצבי ההפחתה שנמצאו באירוע המיזוג כדי לבדוק את "משפט ללא שיער" (ש חורים שחורים מאופיינים לחלוטין במסה ובספין ואין צורך ב"שיער" אחר כדי לתאר את תכונותיו) ולא מצאו דבר מעבר לתורת היחסות הכללית.  

זוהי אבן דרך מכיוון שהייתה רווחה הדעה שתצפית בתדרי צלצול מרובים לא תתאפשר לפני שגלאי גלי כבידה מהדור הבא יהיו זמינים בעתיד.  

 *** 
 

מקורות:   

1. קפאנו, תקליטור ואח'. 2023. ספקטרום Quasinormal Multimode מחור שחור מופרע. מכתבי סקירה פיזית. כרך יד. 131, גיליון 22. 1 בדצמבר 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402  
2. Max-Planck-Institut fürGravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut), 2023. חדשות - למי מצלצל החור השחור. זמין ב https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160 

***