Was passiert, wie der Titel schon sagt, wenn sich eine Gravitationswelle einem Schwarzen Loch nähert? Ich würde annehmen, dass etwas Interessantes passiert, weil die Raumzeit in der Nähe von Schwarzen Löchern funktioniert, aber ich habe kein Wissen, um es zu belegen.
Nein, Gravitationswellen können kein Schwarzes Loch passieren.
Eine Gravitationswelle folgt einem Weg durch die Raumzeit, der als Nullgeodäte bezeichnet wird. Dies ist der gleiche Weg, dem ein Lichtstrahl folgen würde, der in die gleiche Richtung wandert, und Gravitationswellen werden von Schwarzen Löchern auf die gleiche Weise beeinflusst wie Lichtstrahlen. So können zum Beispiel Gravitationswellen genauso wie Lichtwellen von Gravitationslinsen gebrochen werden. Und genau wie Lichtwellen ist eine Gravitationswelle, wenn sie den Ereignishorizont um ein Schwarzes Loch kreuzt, dazu verdammt, nach innen in die Singularität zu wandern und kann niemals entkommen.
Dazu gibt es eine Einschränkung. Wenn wir von einer Gravitationswelle sprechen, meinen wir im Allgemeinen eine relativ kleine Kräuselung der Raumzeit. Insbesondere ist es klein genug, dass die Energie der Gravitationswelle die Raumzeitkrümmung nicht wesentlich beeinflusst. Wenn wir also die Bahn einer Gravitationswelle in der Nähe eines Schwarzen Lochs berechnen, nehmen wir die Geometrie des Schwarzen Lochs als fest, dh unbeeinflusst von der Welle, und wir berechnen die Bahn der Welle in diesem festen Hintergrund.
Dies ist genau der gleiche Ansatz, den wir zur Berechnung der Flugbahnen von Lichtstrahlen verwenden. Da Lichtstrahlen Energie und Impuls tragen, haben sie zumindest im Prinzip eigene Gravitationsfelder. Aber sowohl für Lichtstrahlen als auch Gravitationswellen, die wahrscheinlich im Universum existieren, ist die transportierte Energie zu gering, um einen signifikanten Beitrag zur Raumzeitkrümmung zu leisten.
Wenn Sie in Ihrer Frage sagen:
Ich würde vermuten, dass aufgrund der Art und Weise, wie die Raumzeit in der Nähe von Schwarzen Löchern funktioniert, etwas Interessantes passiert
Ich vermute, Sie denken, dass die Gravitationswelle die Geometrie in der Nähe eines Schwarzen Lochs verändern könnte, aber wie oben beschrieben, haben typische Gravitationswellen nicht genug Energie, um dies zu tun. Es wäre vernünftig zu fragen, was passiert, wenn wir der Welle genug Energie geben, aber die Antwort lautet, dass sie sich nicht mehr wie eine einfache Welle verhält.
Gravitationswellen existieren in einem Regime, das als linearisierte Gravitation bezeichnet wird , wo sie einer Wellengleichung gehorchen, die im Grunde ähnlich der Wellengleichung ist, der Licht gehorcht. Wenn wir die Energie so stark erhöhen, dass die Gravitation nichtlinear wird (wie im Fall von Schwarzen Löchern), dann gehorchen die Schwingungen in der Raumzeitkrümmung keiner Wellengleichung mehr und müssen durch die vollständigen Einstein-Gleichungen beschrieben werden. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, aber nicht bewiesen, dass wirklich hochenergetische Gravitations- (oder Licht-) Wellen miteinander interagieren könnten, um einen gebundenen Zustand namens Geon zu bilden . Ich gebe zu, dass ich mir nicht sicher bin, wie viel Arbeit geleistet wurde, um die Oszillationen in diesem Regime zu untersuchen.
Gravitationswellen sollten von massiven Objekten auf sehr ähnliche Weise wie Licht gebündelt werden.
Lichtstrahlen (und im weiteren Sinne Gravitationswellen) von einem entfernten Objekt, die innerhalb des 1,5-fachen des Schwarzschild-Radius (für ein sich nicht drehendes Schwarzes Loch) passieren, haben Bahnen, die dann zum Ereignishorizont führen. Wellen auf solchen Bahnen können dem Schwarzen Loch nicht entkommen, daher lautet die grundlegende Antwort nein, Gravitationswellen können nicht „durch ein Schwarzes Loch hindurchgehen“.
Weit davon entfernt, eine Quelle von Gravitationswellen zu "verstecken", würde ein dazwischenliegendes Schwarzes Loch das Vorhandensein von gelinsten und vergrößerten Bildern verursachen. Für eine perfekte Ausrichtung von Quelle, Schwarzem Loch und Beobachter gäbe es einen intensiven "Einstein-Ring" mit einem Winkelradius, der von den relativen Abständen der Quelle und des Schwarzen Lochs abhängt.
Natürlich können Gravitationswellen derzeit nicht abgebildet werden, was also detektiert würde, wäre ein abnormal verstärktes Gravitationswellensignal.
All dies ist in der geometrischen Optik der Grenze, dass die Wellenlänge im Vergleich zur Linse klein ist. Wenn das Schwarze Loch klein genug ist (was von seiner Masse abhängt) oder die Wellenlänge der Gravitationswelle groß genug ist, dann sollte das Verhalten analog zu einer ebenen Welle sein, die auf eine kleine, undurchsichtige Scheibe trifft ( Takahashi & Nakamura 2003 ) .
In diesem Fall würden wir ein Beugungsmuster und vielleicht einen "hellen" Arago-Fleck in der Mitte erhalten, obwohl mir solche Berechnungen in der Literatur nicht bekannt sind.
Dies ist kein unwahrscheinliches Szenario. Beispielsweise haben die von LIGO erfassten Gravitationswellen relativ hohe Frequenzen von 10–1000 Hz und damit Wellenlängen von 30.000–300 km, die so groß sind wie die Schwarzschild-Radien von Schwarzen Löchern mit 10.000–100 Sonnenmassen und sicherlich größer als die Überreste von Schwarzen Löchern der Sternentwicklung.
Fett
Keith