Können Gravitationswellen ein Schwarzes Loch passieren?

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.

Was für eine großartige Frage! Krümmen Schwarze Löcher (oder auch andere Massen) Gravitationswellen?
Eine gute Antwort hier würde das Verhalten für rotierende und statische Löcher unterscheiden. Letztere werden besser verstanden, aber es ist kaum klar, dass sie dadurch typischer werden.

Antworten (2)

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.

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Nur um Fehlinterpretationen des Leitsatzes zu vermeiden: Wenn sich ein Zug von Gravitationswellen einem Schwarzen Loch nähert, würde er auch um das Loch herum gebeugt werden, wie es eine Lichtfront tut, richtig? Es ist nicht so, als ob hinter dem Schwarzen Loch ein GW-„Schatten“ wäre.
@HenningMakholm es kommt darauf an, was du mit einem Schatten meinst . Ein Beobachter auf der gegenüberliegenden Seite eines Schwarzen Lochs von einer GW-Quelle würde GWs erkennen, weil die GWs um das Schwarze Loch herum gebrochen würden, wie Sie es beschreiben. Wenn der Beobachter jedoch GWs sehen könnte, dann würde er in Richtung des Schwarzen Lochs tatsächlich einen Schatten sehen. Das liegt daran, dass die Linse keinen Wellenvektor erzeugen kann, der direkt auf das Schwarze Loch zeigt. Die vom Beobachter empfangenen Wellenvektoren der gelinsten Strahlung würden etwas außerhalb der Photonensphäre des Schwarzen Lochs zeigen.
Das ist natürlich der Grund, warum die mittlerweile berühmten Bilder von Messier 87* einen Schatten in der Mitte zeigen. Ähnlich wäre die Ansicht bei Gravitationswellen.
Etwas zu stark vereinfacht. Der Photonenring in M87 wird durch Lensing verursacht, ist aber nicht dasselbe wie ein Einstein-Ring. Der Unterschied besteht darin, wie nahe die Quelle der GWs am Schwarzen Loch liegt. Aber ja, es würde einen GW-"Ring" geben, wenn die Quelle, BH und Beobachter aufgereiht wären.
Ich denke, Sie sollten Ihre Antwort neu organisieren. Der letzte Abschnitt scheint der relevanteste zu sein, in dem Sie im Wesentlichen erklären, dass eine Gravitationswelle per Definition nicht genug Energie haben kann, um die Raumzeitgeometrie in der Nähe eines Schwarzen Lochs zu beeinflussen. Dies sollte viel früher in der Antwort stehen. Wie geschrieben, es fühlt sich an, als würde man herumgerissen, wo man in eine Richtung geht, den Kurs umkehrt und dann in die ursprüngliche Richtung zurückkehrt. Eine frühere Verschiebung der Wellendefinition würde dies verhindern.

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.

Ripples in space-time von Phys.org könnte Hinweise auf fehlende Komponenten des Universums liefern, die mit Phys verknüpft sind. Rev. D Gravitationswellen-Lensing jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie: Doppelbrechung, Echos und Schatten, was hier ziemlich gut zuzutreffen scheint, obwohl es wahrscheinlich eine eigene Frage (oder drei) verdient!