Bringt die Bewegung der Erde einen Unterschied in der Verzerrung des Gewebes der Raumzeit?

Die Verzerrung der Raumzeit hält die Erde in der Umlaufbahn um die Sonne. Die Verzerrung wird durch die Masse der Sonne verursacht. Wir nennen das Schwerkraft. Die Verzerrung in der Nähe der Erde ist winzig in einer Größenordnung, die abläuft$0$zum Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. Wir messen die Gravitationsstärke oft in g. Eine andere Möglichkeit wäre, die Ablenkung eines Lichtstrahls zu messen.

An der Oberfläche der Sonne ist die Stärke$237$G. Sternenlicht, das die Oberfläche überfliegt (während einer Sonnenfinsternis, damit Sie es sehen können), wurde als abgelenkt gemessen$1$Bogensekunde ($1/3600$Grad) von einer geraden Linie.

Die Schwerkraft an der Erdoberfläche ist$1$G. Die Ablenkung des Sternenlichts ist entsprechend geringer.

Die Schwerkraft der Sonne, die die Erde im Orbit hält, ist winzig, 0,006 g. Die Erde braucht 6 Monate, um ihre Richtung umzukehren. Es ist ein langsamer Prozess, und die Anziehungskraft, die ihn bewirkt, ist schwach. Die Ablenkung des Sternenlichts durch die Sonne in der Entfernung der Erdumlaufbahn wäre nicht messbar.

Im Gegensatz dazu ist die Schwerkraft in der Nähe eines Schwarzen Lochs stark. Licht, das in der Nähe eines Schwarzen Lochs passiert, sogar außerhalb des Ereignishorizonts, würde in eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch gebogen, das sich spiralförmig hineindreht. Sehen Sie sich das Veritasium-Video How to Understand the Black Hole Image an

Es gibt noch einen weiteren Effekt. Wenn zwei Objekte einander umkreisen, strahlen Verzerrungen der Raumzeit als Welle ab. Wenn sich zwei Schwarze Löcher in geringem Abstand umkreisen, ist das enorm. Die abgestrahlte Energie stammt aus der Orbitalenergie. Die Schwarzen Löcher kommen immer näher und verschmelzen zu einem.

Die Wellen breiten sich über das Universum aus und erreichen schließlich die Erde. Sie sind extrem schwach, wenn sie ankommen. Die Entwicklung eines Interferometers, das empfindlich genug ist, um sie zu messen, dauerte Jahrzehnte. Aber wir sind jetzt in der Lage, es zu tun. Siehe Die Absurdität des Nachweises von Gravitationswellen

Das erste Mal wurden Gravitationswellen gemessen, zwei Schwarze Löcher$1.3$Milliarden Lichtjahre entfernt verschmolzen. Die Massen der Schwarzen Löcher waren 29 und 36$m_{sun}$. Am Ende lagen die Umlaufgeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Die umkreiste$40$Mal pro Sekunde in einem Abstand von mehr als$10$km. Denken Sie an die Schwerkraft, die stark genug ist, um zu vibrieren$65$Sonnen bei$40$Hertz mit einer Amplitude von$10$von km.

Dasselbe passiert, wenn die Erde die Sonne umkreist. Aber natürlich ist die Wirkung viel viel schwächer. Es ist ein wirklich winziger Effekt. Die Anziehungskraft der Sonne, die die Erde in der Umlaufbahn hält, ist$6 \cdot 10^{-4}$g, Umlaufgeschwindigkeit der Erde ist$10^{-4}$C,$m_{Earth} = 3\cdot10^{-6} m_{Sun}$, und die Umlaufzeit ist$3 \cdot 10^7$Sek. Jede dieser Zahlen ist mindestens eine Million Mal kleiner als bei den Schwarzen Löchern.

Die durch die Rotation der Erde um die Sonne abgestrahlte Gravitationsenergie ist$8$Watt. Die dabei entstehenden Gravitationswellen sind selbst mit den heutigen extrem empfindlichen Instrumenten nicht nachweisbar. Es wird weit länger dauern als das Alter des Universums, bis dieser Energieverlust eine nachweisbare Veränderung der Erdumlaufbahn bewirkt.

Bearbeiten - Bugwellen

See Journey of a Gravitational Wave Diese Simulation des MIT zeigt die Form der Gravitationswellen.

Obwohl die Simulation direkt neben dem Schwarzen Loch nicht viele Details zeigt, kann man mit Sicherheit sagen, dass es keine Bugwellen gibt.

Eine Bugwelle hat ihren Namen von dem Wasser, das sich vor dem Bug eines Schiffes staut. Wenn sich das Schiff bewegt, schiebt es Wasser aus dem Weg. Das Wasser staut sich beim Schieben. Das ist die Bugwelle.

Etwas Ähnliches passiert mit Planeten im Sonnensystem. Die Sonne stößt einen Sonnenwind aus, einen Teilchenstrom mit hoher Geschwindigkeit. Nicht sehr viele Partikel. Der Weltraum ist ein gutes Vakuum, aber kein perfektes Vakuum. Wenn diese Teilchen auf das Magnetfeld eines Planeten treffen, werden sie um den Planeten herum abgelenkt. Das ist wichtig – es schützt die Erde und verhindert, dass ihre Atmosphäre langsam abgebaut wird. Wenn der Sonnenwind abgelenkt wird, staut er sich zu einer Bugwelle auf. Sie können Bilder in der Antwort von stupidishmuse sehen.

Aber das scheint anders zu sein als das, was Sie fragen, und auch anders als die Materie um ein Schwarzes Loch herum.

Erstens: Wenn sich Materie um ein Schwarzes Loch herum befindet, bildet sie eine Akkretionsscheibe. Beim Fallen wird Materie auseinandergerissen, wenn sie sich nähert, einfach weil eine Seite näher am Schwarzen Loch ist als die andere, und die Schwerkraft sehr schnell sehr stark wird, wenn man sich nähert.

Materie ist nie perfekt auf das Schwarze Loch gerichtet, also umkreist sie das Schwarze Loch. In der starken Gravitation liegen die Umlaufgeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Weitaus schneller als die Geschwindigkeiten, sagen wir, in Richtung der Andromeda-Galaxie. Es endet in einer Scheibe, ähnlich wie das Sonnensystem, aber aus heißem Gas und Plasma. Also keine Bugwelle von der Materie um das Schwarze Loch, falls vorhanden.

Aber Sie haben nach einer Bugwelle aus dem Gewebe der Raumzeit gefragt. Raumzeit wird oft falsch beschrieben. Es ist kein Stoff. Es ist kein Blatt, das von einem massiven Objekt in eine Schalenform verzerrt wird. Diese Beschreibungen sollen bestimmte Punkte über die Schwerkraft erklären, aber sie stiften oft mehr Verwirrung als sie lösen.

Raumzeit ist Vakuum. Nichts ist da, es sei denn, Sie möchten virtuelle Partikel betrachten, die ständig überall entstehen und wieder verschwinden. (Eine weitere Fehlbeschreibung mit eigenen Verwirrungen.) Die Raumzeit ist der Hintergrund, der es Ihnen ermöglicht, Entfernung und Zeit zwischen zwei Ereignissen zu messen.

Masse verursacht Verzerrungen in der Raumzeit. Angenommen, Sie befinden sich auf einer Kreisbahn um die Erde. Sie können die Entfernung messen, die Sie in einer Umlaufbahn zurücklegen. Sie könnten auch die Entfernung durch die Erde von einer Seite der Umlaufbahn zur anderen messen. Die Masse der Erde verzerrt Entfernungen und Zeiten ganz leicht. (Die Schwerkraft ist in der Nähe der Erde sehr schwach.) Die Entfernung quer ist etwas länger, als Sie von der Entfernung her erwarten würden. Ebenso vergeht die Zeit auf der Erdoberfläche etwas langsamer als im Orbit. Siehe Warum kann ich das nicht tun, um unendliche Energie zu erhalten?

Der Effekt ist um ein Schwarzes Loch herum derselbe, aber viel stärker.

Wenn sich zwei Schwarze Löcher umkreisen, erzeugt die Bewegung bewegende Verzerrungen. Dies sind nur sich bewegende Regionen mit veränderter Entfernung und Zeitintervall. Sie sind überhaupt keine Wellen in Materie.

Nichts staut sich vor den Schwarzen Löchern, schon gar nicht die Raumzeit.

Andererseits verweist Dummkopf auf eine spekulative Theorie, die besagt, dass relativistisch bewegte Objekte eine Bugwelle vor sich selbst erzeugen. Wenn dies zutrifft, wäre dies ein sehr kleiner Effekt, da die Erde in Bezug auf die Andromeda-Galaxie nicht relativistisch ist.

Geschwindigkeit ist nur relativ. Es bewegt sich also nicht relativ zu sich selbst. Daher hat die Erde im Rahmen der Erde das standardmäßige unbewegte Gravitationsfeld.

In einem anderen Frame können wir einfach das Feld im Ruheframe in das Bewegungsframe umwandeln, um das Feld im Bewegungsframe zu erhalten. Die Verzerrung der Raumzeit ist ein Tensor und in allen Frames gleich (seine Komponenten ändern sich, aber das zugrunde liegende geometrische Objekt ist dasselbe).

Lineare Bewegung hat keinen Einfluss auf die Raumzeit – das kann sie nicht, weil die Gesetze der Physik unabhängig von der Geschwindigkeit sind (z$F = ma$hängt nur von der Geschwindigkeitsänderung ab , nicht von der Geschwindigkeit selbst). Da Geschwindigkeit relativ ist, wäre jedes "Gesetz", das von Geschwindigkeit abhinge, nicht universell. Also nein, die Geschwindigkeit der Erde durch den Weltraum beeinflusst die Raumzeit nicht.

Die Erdrotation hat einen geringen Einfluss auf die Raumzeit, da die Rotation nicht relativ ist (es gibt einen absoluten Sinn, in dem die Rotation erkannt werden kann). Dieser Effekt wird Sagnac-Effekt genannt und wird im Global Positioning System (GPS) berücksichtigt.

In gewisser Weise kann die (relative) Geschwindigkeit der Erde relativistische Effekte hervorrufen. Die Geschwindigkeit der Erde relativ zu sich selbst ist 0. Relativ zum Zentrum der Galaxie oder zum kosmischen Mikrowellenhintergrund ist sie höher – aber immer noch nicht annähernd die Lichtgeschwindigkeit. Im Vergleich zu einigen kosmischen Strahlen hat die Erde jedoch relativistische Geschwindigkeiten (nahe der Lichtgeschwindigkeit). Im Bezugsrahmen dieser Teilchen der kosmischen Strahlung erfährt die Erde eine Längenkontraktion, so dass zB der Abstand vom Boden zum oberen Ende der Atmosphäre klein genug ist, dass ein kurzlebiges Teilchen sie durchqueren kann, bevor es zerfällt. Natürlich bewegen sich relativ zu uns die kosmischen Strahlen, und wir sagen, dass die Teilchen eine Zeitdilatation erfahren und das ist der Grund, warum sie den Boden in ihrer (kurzen) Lebensdauer erreichen können.

Hier ist eine NASA-Darstellung der Bugwelle (Stoßwelle) von Saturn. Also ja, ein Planet erzeugt tatsächlich eine asymmetrische Welle durch den Weltraum. Denken Sie nur daran, dass Sie 764 Erden in den Saturn einbauen können, sodass die Bugwelle viel viel kleiner wäre.

Es ist sehr interessant festzustellen, dass Wissenschaftler bei der Suche nach dunkler Materie festgestellt haben, dass sich langsamer bewegende Galaxien und diffusere Galaxien weniger dunkle Materie in ihrer Region aufweisen als schnellere oder kompaktere Galaxien. Es gibt eine spekulative Theorie, dass es tatsächlich die Bewegung dieser Galaxien durch den Weltraum ist, die eine massive Bugwelle erzeugt, die wiederum das erzeugt, was dunkle Gravitation anstelle von dunkler Materie genannt werden sollte, weil es keine wirkliche Materie gibt, sondern nur Gravitation.

Hier ist auch der Kugelhaufen von 40 Galaxien abgebildet, die sich bei etwa 1 % von C durch den Weltraum bewegen. Die Sterne (normale Materie) sind in rosa und die dunkle Materie in blau dargestellt. Erkennen Sie die Ähnlichkeit mit einer Bugwelle? Sehr interessant.