Bisakah gelombang gravitasi melewati lubang hitam?


59

Seperti judulnya, apa yang terjadi ketika gelombang gravitasi mendekati lubang hitam? Saya akan menganggap bahwa sesuatu yang menarik terjadi karena cara ruangwaktu bekerja di dekat lubang hitam tetapi saya tidak memiliki pengetahuan untuk mendukungnya.


4
Pertanyaan yang sangat bagus! Apakah lubang hitam (atau memang massa lainnya) menekuk gelombang gravitasi?
Fattie

Jawaban yang bagus di sini akan membedakan perilaku untuk lubang yang berputar dan statis. Yang terakhir lebih baik dipahami, tetapi hampir tidak jelas ini membuat mereka lebih khas.
Keith

Jawaban:


58

Tidak, gelombang gravitasi tidak bisa melewati lubang hitam.

Gelombang gravitasi mengikuti jalur melalui ruangwaktu yang disebut geodesik nol. Ini adalah jalur yang sama yang akan diikuti oleh sinar cahaya yang bergerak dalam arah yang sama, dan gelombang gravitasi dipengaruhi oleh lubang hitam dengan cara yang sama seperti sinar cahaya. Jadi misalnya gelombang gravitasi dapat dibiaskan oleh lensa gravitasi seperti halnya gelombang cahaya. Dan sama seperti gelombang cahaya, jika gelombang gravitasi melintasi cakrawala peristiwa yang mengelilingi lubang hitam itu kemudian ditakdirkan untuk melakukan perjalanan ke dalam ke singularitas dan tidak pernah bisa melarikan diri.

Ada satu peringatan untuk ini. Ketika kita berbicara tentang gelombang gravitasi, kita biasanya memaksudkan riak dalam ruangwaktu yang relatif kecil. Secara khusus itu cukup kecil sehingga energi gelombang gravitasi tidak secara signifikan mempengaruhi kelengkungan ruangwaktu. Jadi ketika kita menghitung lintasan gelombang gravitasi di dekat lubang hitam kita mengambil geometri lubang hitam sebagai tetap, yaitu tidak terpengaruh oleh gelombang, dan kita menghitung lintasan gelombang di latar belakang tetap ini.

Ini persis pendekatan yang sama seperti yang kita gunakan untuk menghitung lintasan sinar cahaya. Karena sinar cahaya membawa energi dan momentum, setidaknya pada prinsipnya, mereka memiliki medan gravitasi mereka sendiri. Tetapi baik untuk sinar cahaya maupun gelombang gravitasi yang kemungkinan ada di alam semesta, energi yang dibawa terlalu kecil untuk membuat kontribusi yang signifikan terhadap kelengkungan ruangwaktu.

Ketika Anda mengatakan dalam pertanyaan Anda:

Saya akan menganggap bahwa sesuatu yang menarik terjadi karena cara ruangwaktu bekerja di dekat lubang hitam

Saya kira Anda berpikir bahwa gelombang gravitasi dapat mengubah geometri di dekat lubang hitam, tetapi seperti dijelaskan di atas gelombang gravitasi tipikal tidak memiliki energi yang cukup untuk melakukan ini. Adalah masuk akal untuk bertanya apa yang terjadi jika kita memberikan energi yang cukup pada gelombang, tetapi jawabannya ternyata tidak lagi berperilaku seperti gelombang sederhana.

Gelombang gravitasi ada dalam rezim yang disebut gravitasi linier di mana mereka mematuhi persamaan gelombang yang pada dasarnya mirip dengan persamaan gelombang yang dipatuhi cahaya. Jika kita meningkatkan energi sedemikian rupa sehingga gravitasi menjadi non-linear (seperti halnya lubang hitam) maka osilasi dalam kelengkungan ruangwaktu tidak lagi mematuhi persamaan gelombang dan perlu dijelaskan oleh persamaan Einstein penuh. Misalnya telah disarankan, tetapi tidak terbukti, bahwa gelombang gravitasi (atau cahaya) energi sangat tinggi dapat berinteraksi satu sama lain untuk membentuk keadaan terikat yang disebut geon . Saya mengakui bahwa saya tidak yakin berapa banyak pekerjaan yang telah dilakukan untuk mempelajari osilasi dalam rezim ini.


Jawaban yang sangat bagus! Jika tidak ada orang lain datang bersama dengan yang lebih baik dalam 24 jam ke depan, reputasi +20 jatuh kepada Anda!
dalearn

13
Hanya untuk menghindari salah tafsir terhadap kalimat utama, jika gelombang gelombang gravitasi mendekati lubang hitam, itu juga akan berdifraksi di sekitar lubang seperti halnya bagian depan yang ringan, bukan? Bukannya ada "bayangan" GW di balik lubang hitam.
Henning Makholm

1
@HenningMakholm itu tergantung apa yang Anda maksud dengan bayangan . Seorang pengamat di sisi berlawanan dari lubang hitam dari sumber GW akan mendeteksi GW, karena GW akan dibiaskan di sekitar lubang hitam seperti yang Anda gambarkan. Namun jika pengamat bisa melihat GW kemudian melihat ke arah lubang hitam mereka memang akan melihat bayangan. Itu karena pelensa tidak dapat menghasilkan vektor gelombang yang menunjuk langsung ke arah lubang hitam. Vektor gelombang dari radiasi lensa yang diterima oleh pengamat akan menunjuk ke sedikit di luar bola foton dari lubang hitam.
John Rennie

1
Ini tentu saja mengapa foto-foto terkenal Messier 87 * sekarang menunjukkan bayangan di tengah. Tampilan dalam gelombang gravitasi akan serupa.
John Rennie

4
Agak disederhanakan. Cincin foton dalam M87 disebabkan oleh pelensaan, tetapi tidak sama dengan cincin Einstein. Perbedaannya adalah seberapa dekat sumber GW dengan lubang hitam. Tapi ya, akan ada "cincin" GW jika sumber, BH dan pengamat berbaris.
Rob Jeffries

8

Gelombang gravitasi harus diperlihatkan oleh benda besar dengan cara yang sangat mirip dengan cahaya.

Sinar cahaya (dan dengan ekstensi, gelombang gravitasi) dari objek yang jauh, yang melewati dalam 1,5 kali jari-jari Schwarzschild (untuk lubang hitam yang tidak berputar) memiliki lintasan yang kemudian menuju cakrawala peristiwa. Gelombang pada lintasan seperti itu tidak dapat lepas dari lubang hitam, jadi jawaban dasarnya adalah tidak, gelombang gravitasi tidak dapat "melewati lubang hitam".

Namun, jauh dari "menyembunyikan" sumber gelombang gravitasi, lubang hitam yang mengintervensi akan menyebabkan kehadiran lensa dan gambar yang diperbesar. Untuk penyelarasan sumber, lubang hitam, dan pengamat yang sempurna, akan ada "cincin Einstein" yang kuat pada radius sudut yang tergantung pada jarak relatif sumber dan lubang hitam.

Tentu saja gelombang gravitasi tidak dapat dicitrakan saat ini, jadi yang akan dideteksi adalah sinyal gelombang gravitasi yang diperkuat secara tidak normal.

Semua yang di atas adalah dalam batas optik geometris yang panjang gelombangnya kecil dibandingkan dengan lensa. Jika lubang hitam cukup kecil (yang tergantung pada massanya), atau panjang gelombang gelombang gravitasi cukup besar, maka perilaku tersebut harus dianalogikan dengan gelombang bidang yang berhadapan dengan piringan kecil yang buram ( Takahashi & Nakamura 2003 ).

Dalam hal ini kita akan mendapatkan pola difraksi dan mungkin titik Arago "terang" di tengah, meskipun saya tidak mengetahui adanya perhitungan seperti itu dalam literatur.

Ini bukan skenario yang tidak mungkin. Sebagai contoh, gelombang gravitasi yang terdeteksi oleh LIGO memiliki frekuensi yang relatif tinggi yaitu 10-1000 Hz dan oleh karena itu panjang gelombangnya 30.000-300 km, yang sama besarnya dengan jari-jari Schwarzschild dari 10.000 - 100 lubang hitam massa matahari dan tentu saja lebih besar dari sisa-sisa lubang hitam. evolusi bintang.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.
Judi bola