Answers:
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。
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。