Sudari crnih rupa možda kriju više podataka nego što su znanstvenici dosad mogli vidjeti

Crne rupe ne završavaju sudar u tišini. Nakon spajanja ostavljaju kratak, složen trag u gravitacijskim valovima, a nova metoda znanstvenika sa Sveučilišta u Cambridgeu pokazuje da se u tom završnom signalu možda skriva više podataka nego što su dosadašnje analize mogle pouzdano izdvojiti.

Kada se dvije crne rupe spoje, nastaje nova, masivnija crna rupa. Ona se ne smiruje odmah. U kratkoj završnoj fazi, koju fizičari nazivaju ringdown, poremećeno prostorvrijeme još titra nakon sudara.

To titranje nije zvuk. Očitava se u gravitacijskim valovima, a njegove frekvencije ovise o masi i vrtnji novonastale crne rupe. Zato znanstvenicima služi kao fizički potpis objekta koji je nastao nakon spajanja.

Najizraženiji dio tog signala već se redovito izdvaja iz podataka detektora gravitacijskih valova.

No slabiji tragovi, osobito kratkotrajne dodatne frekvencije koje brzo nestaju, mnogo su teži za mjerenje. Upravo ondje počinje problem: ako se u njima kriju dodatne informacije, dosadašnje analize možda su uhvatile samo najizraženiji dio signala.

Cambridge razvio metodu za čitanje skrivenih frekvencija

Richard Dyer s Instituta za astronomiju Sveučilišta u Cambridgeu i njegov suautor Christopher Moore razvili su statističku metodu za preciznije prepoznavanje frekvencija koje se pojavljuju nakon spajanja crnih rupa. Rezultate su objavili u časopisu Physical Review Letters.

Metoda se temelji na Bayesovoj analizi, pristupu koji uspoređuje različita moguća objašnjenja podataka i procjenjuje koje od njih najbolje odgovara signalu. U ovom slučaju cilj nije bio samo potvrditi najjaču frekvenciju, nego sustavno provjeriti koji se slabiji modovi mogu izdvojiti iz simulacija i u kojem se trenutku pojavljuju.

Ti modovi poznati su kao kvazinormalni modovi. Najjači se može promatrati kao osnovna frekvencija novonastale crne rupe, dok su overtonovi slabiji i kraće traju. Zbog toga ih je teško razlikovati od šuma, a među istraživačima se već dugo raspravlja o tome kada ih se može pouzdano smatrati stvarnim signalom.

Nova metoda daje pregledniji način da se ta nesigurnost smanji. Umjesto oslanjanja na pojedinačno tumačenje signala, istraživači su izradili postupak kojim se modovi mogu uspoređivati kroz različite simulirane sudare crnih rupa.

U završnom signalu pojavljuju se i složeniji tragovi

Istraživači nisu tražili samo osnovnu frekvenciju i njezine slabije prateće signale. U simulacijama su izdvojili i nelinearne modove, odnosno tragove koji nastaju kada se dvije ili više osnovnih frekvencija međusobno povežu.

To znači da završni signal nakon sudara crnih rupa nije nužno jednostavan niz odvojenih frekvencija. U njemu se mogu pojaviti složeniji obrasci, ali njihovo izdvajanje traži iznimno kvalitetne podatke i vrlo opreznu statističku analizu. Slab signal u takvim uvjetima lako se može zamijeniti za šum.

Dyer i Moore svoju su metodu primijenili na javno dostupan katalog vrlo preciznih simulacija spajanja crnih rupa. U njima su pratili sudare s različitim omjerima masa i različitim vrtnjama, te bilježili koji se modovi pojavljuju u pojedinim scenarijima i kada ih je moguće pouzdano prepoznati.

Takav pregled može biti koristan u analizi stvarnih signala. Ako istraživači znaju koje frekvencije treba očekivati nakon određenog tipa sudara, lakše mogu odvojiti trag novonastale crne rupe od slučajnog šuma u podacima.

Slabiji signali mogli bi oštrije testirati relativnost

Vrijednost nove metode ne svodi se samo na detaljniji opis crnih rupa. Završna faza signala jedan je od najizravnijih načina za provjeru Einsteinove opće teorije relativnosti u uvjetima iznimno snažne gravitacije.

Prema toj teoriji, masa i vrtnja završne crne rupe određuju frekvencije koje bi se trebale pojaviti nakon sudara. Ako buduće opservacije pokažu odstupanja od očekivanog obrasca, fizičari će dobiti razlog za temeljitiju provjeru našeg razumijevanja gravitacije.

Za sada nema naznaka da je Einsteinova teorija pogrešna. Važniji je pomak u samoj metodi: znanstvenici dobivaju precizniji način čitanja podataka koji su dosad bili na rubu mjerljivog.

Sudari crnih rupa već su promijenili astronomiju. Sada se pokazuje da njihov najkraći i najslabiji završni signal možda sadrži podatke koje tek učimo pouzdano izdvajati iz šuma.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.