引力波可以穿过黑洞吗?


59

如标题所述,当引力波接近黑洞时会发生什么?我想会因为时空在黑洞附近工作的方式而发生一些有趣的事情,但是我不知道如何支持它。


4
真是个好问题!黑洞(或其他质量)是否会弯曲引力波?
Fattie

一个很好的答案是区分旋转孔和静态孔的行为。可以更好地理解后者,但是还不清楚这使它们更典型。
Keith

Answers:


58

不,引力波不能穿过黑洞。

引力波沿着时空经过的路径称为零短程线。这是光线沿相同方向传播的路径,引力波受黑洞影响的方式与光线相同。因此,例如重力波可以像光波一样被重力透镜折射。就像光波一样,如果引力波穿过黑洞周围的事件视界,那么注定会向内传播到奇异点,并且永远无法逃脱。

有一个警告。当我们谈论引力波时,通常是指时空中相对较小的波动。具体地说,它足够小,以至于引力波的能量不会显着影响时空曲率。因此,当我们计算黑洞附近的引力波的轨迹时,我们将黑洞的几何形状设为固定,即不受波的影响,并在此固定背景下计算波的轨迹。

这与我们用于计算光线轨迹的方法完全相同。由于光线携带能量和动量,因此至少在原理上它们具有自己的引力场。但是对于宇宙中可能存在的光线和引力波,所携带的能量太小,无法对时空曲率做出重大贡献。

当您在问题中说:

我认为由于时空在黑洞附近工作的方式会发生一些有趣的事情

我想您会想到重力波会改变黑洞附近的几何形状,但是如上所述,典型的重力波没有足够的能量来执行此操作。问一下如果我们给波浪足够的能量会发生什么,这是合理的,但是答案是,它不再像简单的波浪那样运转。

引力波存在于一种称为线性重力的状态中,在这种情况下,它们遵循一个与光遵循的波动方程基本相似的波动方程。如果我们增加能量太多,以致重力变成非线性(就像黑洞一样),则时空曲率的振荡不再服从波动方程,需要用完整的爱因斯坦方程来描述。例如,已经提出但尚未证明的是,真正的高能引力波(或光波)可以彼此相互作用以形成被称为“ geon”的束缚态。我承认,我不确定在这种情况下研究振荡的工作已经完成了多少。


很好的答案!如果在接下来的24小时内没有其他人会提供更好的服务,那么+20的声望会归您所有!
dalearn

13
只是为了避免对开头句子造成误解,如果一连串引力波接近黑洞,它也会像光前一样黑洞衍射,对吗?黑洞后面似乎并没有一个GW“阴影”。
Henning Makholm

1
@HenningMakholm,这取决于您所说的阴影。位于GW源黑洞对面的观察者将检测到GW,因为GW将如您所描述的那样绕黑洞折射。但是,如果观察者可以看到GW,然后朝黑洞看,他们的确会看到阴影。这是因为透镜无法产生直接指向黑洞的波矢。观察者接收的透镜辐射的波矢量将指向黑洞光子球体的一点外侧。
John Rennie

1
当然,这就是为什么如今著名的Messier 87 *图片在中间出现阴影的原因。引力波中的视图将相似。
John Rennie

4
有点过于简单。M87中的光子环是由透镜引起的,但与爱因斯坦环不同。不同之处在于GW的来源与黑洞的距离有多近。但是,如果将源,BH和观察者排成一行,那么将会有一个GW“环”。
Rob Jeffries,

8

引力波应以与光非常相似的方式被大型物体透镜化。

来自遥远物体的光线(以及引力波,引力波)在Schwarzschild半径的1.5倍之内(对于非旋转的黑洞)通过,其轨迹随后朝向事件视界。这样的轨迹上的波不能从黑洞中逸出,因此基本答案是不可以,引力波不能“通过黑洞”。

但是,插入的黑洞远不是“隐藏”引力波的源头,而是会导致存在镜头和放大的图像。为了使源,黑洞和观察者完美对准,将在取决于源与黑洞相对距离的角半径处设置一个强烈的“爱因斯坦环”。

当然,目前无法对重力波成像,因此将检测到异常增强的重力波信号。

以上所有都是在几何光学极限内,与透镜相比波长要小。如果黑洞足够小(取决于它的质量),或者引力波波长足够大,那么其行为应该类似于遇到小的不透明圆盘的平面波(Takahashi&Nakamura 2003)。

在这种情况下,我们会在中心得到一个衍射图,也许还有一个“亮”的Arago点,尽管我在文献中还不知道有这样的计算。

这并非不可能。例如,LIGO探测到的引力波具有10-1000 Hz的相对较高的频率,因此波长为30,000-300 km,与10,000-100太阳质量黑洞的Schwarzschild半径一样大,并且肯定大于黑洞残余恒星进化。

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.