Strahlen Photonen und kosmische Strahlung Energie durch Gravitationswellen aus? Wenn nein, warum nicht?

Aufgrund der Masse-Energie-Äquivalenz krümmen sowohl Materie als auch EM-Strahlung die Raumzeit, und beide sind in der Lage, Singularitäten zu bilden (Schwarzes Loch, Weißes Loch/Kugelblitz). Warum verlieren vor diesem Hintergrund Photonen, die aus den entferntesten Bereichen des beobachtbaren Universums reisen, keine Energie aufgrund der Gravitationsstrahlung, die sie aussenden müssen? Müssen außerdem kosmische Strahlen (z. B. Protonen) nicht langsamer werden oder anhalten, da sie durch den gleichen Mechanismus Energie verlieren?

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Photonen oder kosmische Strahlung senden (normalerweise) keine Gravitationswellen aus.

Betrachten Sie den Vergleich mit Radiowellen. Ein sich bewegendes Elektron sendet keine Radiowellen aus. Es muss beschleunigt werden, um EM-Strahlung auszusenden. Speziell Radiowellen werden nur dann ausgesendet, wenn sich das Dipolmoment ändert .

Sie würden also nicht erwarten, dass ein Teilchen, das sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt (Photon oder auf andere Weise), Gravitationswellen aussendet, und tatsächlich sendet im Gegensatz zu EM selbst ein oszillierender Gravitationsdipol keine Gravitationswellen aus. Für die Emission von Gravitationswellen benötigt man ein oszillierendes Quadrapolmoment . Im Prinzip könnte ein Photon, dessen Flugbahn durch ein Gravitationspotential gebogen wird , Gravitationswellen aussenden, aber in der Praxis wäre die Intensität der emittierten Strahlung so gering, dass man den Energieverlust niemals messen könnte.

Dies scheint die Frage aufzuwerfen. Zunächst muss natürlich Energie übertragen werden, um eine Wechselwirkung zu haben. Die Frage könnte umformuliert werden: "Gibt es eine gegenseitige Beschleunigung zwischen einem energetischen Photon und dem Rest des Universums?" Zweitens könnte man erwarten, dass das Photon nur eine geodätische Linie kennt; Es ist nicht klar, wie oder warum die Krümmung die Wellenlänge beeinflussen sollte. Drittens, wenn der Energieverlust Verschiebungen des Photonenspektrums auf einer bestimmten Flugbahn zeigt, sollte dies messbar sein.
Sie sagen, "ein oszillierender Gravitationsdipol sendet keine Gravitationswellen aus". Ich bin mir ziemlich sicher, dass es so wäre! Es ist nur so, dass Sie keinen oszillierenden Gravitationsdipol haben können, weil der Impuls erhalten bleibt (auch Sie können keine negative Masse haben).

Warum verlieren vor diesem Hintergrund Photonen, die aus den entferntesten Bereichen des beobachtbaren Universums reisen, keine Energie aufgrund der Gravitationsstrahlung, die sie aussenden müssen?

Es gibt hier ein Missverständnis in "Gravitationsstrahlung, die sie emittieren müssen". Es gibt noch keine einheitliche Theorie der Elementarteilchen und der drei Wechselwirkungen, die durch das Standardmodell der Physik gut beschrieben werden, um uns zu sagen, ob Photonen, die Elementarteilchen sind, Gravitonen (die mutmaßlichen Elementarteilchen der quantisierten Gravitation) ausstrahlen, wenn sie Energie verlieren eine Wechselwirkung mit einem Gravitationsfeld.

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Wenn man einer effektiven Feldtheorieformulierung folgt und die Ergebnisse von Berechnungen akzeptiert, als ob ein konsistentes einheitliches Modell existierte, spricht man von Feynman-Diagrammen vom Bremsstrahlungstyp, bei denen das Photon mit einem virtuellen Graviton aus einer Gravitationsquelle interagieren und ein Graviton emittieren würde.

Feynman-Diagramme sind eine Abkürzung für die Berechnungen, die erforderlich sind, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Wechselwirkung vorherzusagen. In diesen kopierten Feynman-Graphen

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

die durchgezogene rote Linie wäre die Gravitationsquelle, die verschnörkelte die Gravitonen und die blaue das Photon. Die Gravitationskopplung ist im Vergleich zu den anderen Kopplungen so schwach, und sie wird zweimal für Photonen- oder Protonengravitationsbremsstrahlung benötigt, dass alle Auswirkungen für die uns erreichende hochenergetische kosmische Strahlung winzig und nicht messbar wären . (Danke für den Link zu @MattReece, das Fazit ist ganz klar)

Müssen außerdem kosmische Strahlen (z. B. Protonen) nicht langsamer werden oder anhalten, da sie durch den gleichen Mechanismus Energie verlieren?

Ein analoges Diagramm gilt für die entsprechende Berechnung für Protonen und andere massive kosmische Strahlen. Die Wechselwirkung ist für einzelne Teilchen so schwach, dass sie ihre Bahnen nicht messbar beeinflussen, geschweige denn stoppen kann.

Es stimmt nicht, dass uns eine Theorie darüber fehlt, wie Photonen Gravitonen ausstrahlen. Es wird durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben.
@MattReece Die allgemeine Relativitätstheorie ist keine Quantentheorie auf einheitlicher Ebene, einschließlich Photonen usw. Photonen als Elementarteilchen werden von Hand eingegeben, wenn eine Hand eine Quantisierung der Schwerkraft bewegt. Eine Wechselwirkung von Photonen und Gravitonen erfordert eine einheitliche konsistente Theorie, um gültig zu sein, a Scheitelpunkt in einem Feynman-Diagramm, imo
Nein, tut es nicht. Die mit dem Standardmodell gekoppelte Allgemeine Relativitätstheorie ist eine perfekt funktionierende Quantenfeldtheorie. Die Korrekturen, die wir von einer vollständigen Theorie der Quantengravitation erwarten, wären winzig für Fragen wie die Strahlung von Gravitonen von Photonen.
@MattReece Können Sie einen lesbaren Link für diese Behauptungen angeben. ?
Vielleicht die Rezension von Cliff Burgess: relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2004-5
@MattReece OK, ich habe bearbeitet, einschließlich der Annahme, dass effektive Feldtheorien als gültig angesehen werden können
Mein Missverständnis entstand wahrscheinlich aus der Überbehandlung der verformbaren Oberfläche der "Gummifolie" als Modell der Raumzeit, in der die Bewegung von Partikeln eine "Welle" (den Lichtkegel) erzeugt, deren Erzeugung aller nicht ruhenden Materie einen inhärenten Widerstand verleiht. Jede Korrektur wird mit Begeisterung angenommen.
Es gibt keinen anderen "Widerstand" als den, den die Feynman-Diagramme ergeben würden. Das Gravitationsfeld entsteht aus unzähligen Gravitonen (falls vorhanden) erster Ordnung, das ist die gravitative Anziehung/Krümmung. Jegliche Effekte höherer Ordnung, wie die obigen Feynman-Diagramme, werden aufgrund der Kleinheit der Gravitationskonstanten extrem unterdrückt. Das „Gummiblatt“ ist ein klassisches Analogon und kann in einem QM-Rahmen nicht halten.
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