Как следует из названия, что происходит, когда гравитационная волна приближается к черной дыре? Я бы предположил, что что-то интересное происходит из-за того, что пространство-время работает рядом с черными дырами, но я не знаю, как это подтвердить.
59
Ответы:
Нет, гравитационные волны не могут пройти через черную дыру.
Гравитационная волна следует по пути в пространстве-времени, который называется нулевой геодезической. Это тот же путь, по которому следует луч света, движущийся в том же направлении, и гравитационные волны подвергаются воздействию черных дыр так же, как и лучи света. Так, например, гравитационные волны могут преломляться гравитационными линзами так же, как световые волны. И точно так же, как световые волны, если гравитационная волна пересекает горизонт событий, окружающий черную дыру, она обречена двигаться внутрь к сингулярности и никогда не сможет убежать.
Есть одна оговорка к этому. Когда мы говорим о гравитационной волне, мы обычно имеем в виду, что пульсация в пространстве-времени относительно мала. В частности, он настолько мал, что энергия гравитационной волны не оказывает существенного влияния на кривизну пространства-времени. Поэтому, когда мы рассчитываем траекторию гравитационной волны вблизи черной дыры, мы принимаем геометрию черной дыры как фиксированную, т.е. не подверженную влиянию волны, и вычисляем траекторию волны на этом фиксированном фоне.
Это точно такой же подход, который мы используем для расчета траекторий световых лучей. Поскольку световые лучи несут энергию и импульс, то, по крайней мере, в принципе, они имеют свои собственные гравитационные поля. Но и для световых лучей, и для гравитационных волн, которые могут существовать во Вселенной, переносимая энергия слишком мала, чтобы внести существенный вклад в искривление пространства-времени.
Когда вы говорите в своем вопросе:
Я думаю, вы думаете, что гравитационная волна может изменить геометрию около черной дыры, но, как описано выше, типичные гравитационные волны не имеют достаточно энергии, чтобы сделать это. Было бы разумно спросить, что произойдет, если мы дадим волне достаточно энергии, но ответом будет то, что она больше не ведет себя как простая волна.
Гравитационные волны существуют в режиме, называемом линеаризованной гравитацией, где они подчиняются волновому уравнению, которое в основном похоже на волновое уравнение, которому подчиняется свет. Если мы увеличиваем энергию настолько сильно, что гравитация становится нелинейной (как в случае черных дыр), тогда колебания в искривлении пространства-времени больше не подчиняются волновому уравнению и должны описываться полными уравнениями Эйнштейна. Например, было предложено, но не доказано, что гравитационные (или световые) волны действительно высокой энергии могут взаимодействовать друг с другом, образуя связанное состояние, называемое геоном . Признаюсь, я не уверен, сколько работы было сделано для изучения колебаний в этом режиме.
источник
Гравитационные волны должны линзироваться массивными объектами очень похоже на свет.
Лучи света (и, соответственно, гравитационные волны) от удаленного объекта, которые проходят в пределах 1,5-кратного радиуса Шварцшильда (для невращающейся черной дыры), имеют траектории, которые затем направляются к горизонту событий. Волны на таких траекториях не могут вырваться из черной дыры, поэтому основной ответ - нет, гравитационные волны не могут «проходить через черную дыру».
Однако, далеко не «скрывая» источник гравитационных волн, промежуточная черная дыра может вызвать появление линз и увеличенных изображений. Для идеального выравнивания источника, черной дыры и наблюдателя было бы интенсивное «кольцо Эйнштейна» с угловым радиусом, который зависит от относительных расстояний источника и черной дыры.
Конечно, в настоящее время гравитационные волны не могут быть отображены, поэтому то, что было бы обнаружено, это ненормально усиленный сигнал гравитационной волны.
Все вышеперечисленное находится в пределе геометрической оптики, что длина волны мала по сравнению с объективом. Если черная дыра достаточно мала (что зависит от ее массы), или длина волны гравитационной волны достаточно велика, то поведение должно быть аналогичным плоской волне, с которой сталкивается маленький непрозрачный диск ( Takahashi & Nakamura 2003 ).
В этом случае мы получили бы дифракционную картину и, возможно, «яркое» пятно Араго в центре, хотя я не знаю о подобных расчетах в литературе.
Это не маловероятный сценарий. Например, гравитационные волны, обнаруженные LIGO, имеют относительно высокие частоты 10-1000 Гц и, следовательно, длины волн 30 000-300 км, которые равны радиусам Шварцшильда 10 000-100 солнечных масс черных дыр и, конечно, больше, чем остатки черных дыр. звездной эволюции.
источник