Wären die Gravitationswellen eines binären Schwarzen-Loch-Systems eine brauchbare Waffe?

Nein, das wäre keine brauchbare Waffe.

Obwohl ich ursprünglich vor fünf Jahren eine Antwort auf diese Frage gepostet habe, habe ich sie inzwischen gelöscht und fange neu an. Ein Grund, warum ich es gelöscht habe, ist, dass die Antwort die Frage nur tangential ansprach, obwohl sie einige positive Stimmen erhielt. Der andere Grund ist, dass der Teil, der meiner Meinung nach angemessen auf eine angemessene Antwort hinarbeitet, den falschen Ansatz verfolgt. Ich versuchte, die Machbarkeit einer solchen Waffe abzuschätzen, indem ich die Energie diskutierte, die von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern mit stellarer Masse ausgestrahlt wird; Stattdessen hätte ich eine Größe wählen sollen, die für Gravitationswellen eindeutig charakteristisch ist: Dehnung.

Die Belastung,$h$, einer Gravitationswelle ist ein Maß dafür, wie stark die Raumzeit durch die vorbeiziehende Welle verzerrt wird. Wenn Sie ein Objekt der Länge haben$L$, wird es abwechselnd um eine Strecke gedehnt und gestaucht$\Delta L=hL$. Das ist das Prinzip hinter den interferometrischen Techniken, mit denen LIGO überhaupt Gravitationswellen beobachtet.

Sagen Sie, Sie sind weit entfernt$r$von einem Paar binärer Schwarzer Löcher mit Gesamtmasse$M$. An jedem Punkt ihrer Koaleszenz können Sie ihnen eine effektive Geschwindigkeit zuweisen,$v/c$, die zunimmt, je näher die Schwarzen Löcher zusammenrücken. Die von Ihnen gemessene Spitzendehnung ist dann ungefähr

$$h\sim\frac{GM}{c^2}\frac{1}{r}\left(\frac{v}{c}\right)^2$$ Betrachten wir den Fall der ersten Entdeckung von Gravitationswellen . An dieser Fusion waren zwei schwarze Löcher beteiligt, die etwa$30M_{\odot}$pro Stück (und damit eine Gesamtmasse$M\approx60M_{\odot}$), in einiger Entfernung liegen$r=410\text{ Mpc}$ein Weg. Kurz vor der Koaleszenz war ihre effektive Geschwindigkeit$v/c\approx0.6$. Setzen Sie die Zahlen ein und Sie finden, dass die Belastung in diesem Moment, wie auf der Erde gemessen, sein sollte$h\sim10^{-21}$, was von LIGO beobachtet wurde. Das ist winzig! Nehmen wir nun an, wir stehen ein paar Lichtjahre von der Quelle entfernt - sagen wir,$r=1.34\text{ pc}$, die Entfernung von der Erde zu Alpha Centauri. Jetzt erreichen wir eine viel größere Belastung,$h\sim10^{-14}$- immer noch ein Hungerlohn. Selbst bei einer Entfernung von 1 AE erreichen wir nur$h\sim10^{-7}$. Damit Ihre Waffe beobachtbare Veränderungen hervorruft, müssten Sie sie im feindlichen Sternensystem platzieren, was meiner Meinung nach gegen die Vertragsbedingungen verstoßen würde!

Die Alternative besteht natürlich darin, viel größere Schwarze Löcher zu verwenden. Da die Dehnung leider nur linear proportional zur Masse der Schwarzen Löcher ist, benötigen Sie ein supermassereiches Doppelsystem aus Schwarzen Löchern ($M\sim10^6M_{\odot}$-$10^9M_{\odot}$), um merkliche Veränderungen in Entfernungen von etwa einem Parsec zu erzeugen, wodurch die bestehenden Beobachtungs- und theoretischen Grenzen der uns bekannten supermassereichen Schwarzen Löcher überschritten werden. Darüber hinaus würden diese Monster und die Akkretionsscheiben und sich schnell bewegenden Wolken um sie herum bedeutende Waffen darstellen, und ich würde wetten, dass es äußerst schwierig wäre, sie zu kontrollieren - selbst für eine Zivilisation mit der von Ihnen beschriebenen Kapazität.

Sonstige Hinweise:

• Die Leistung der Hawking-Strahlung von jedem Schwarzen Loch beträgt etwa$L\sim10^{-31}\text{ W}$, also ist es alles andere als gefährlich. Darüber hinaus sind sie extrem kühl und können daher nur extrem energiearme Photonen produzieren, was in diesem Sinne keinerlei Bedrohung für eine Zivilisation darstellt.

• Die Gravitationswellenemission wird nicht isotrop sein , wie Sie sich vielleicht vorstellen können, da die Binärdatei nicht kugelsymmetrisch ist. Daher gibt es Möglichkeiten, das System so auszurichten, dass Ihr Ziel die maximale Emission erhält und Sie die minimale (aber gemäß unserer vorherigen Analyse besteht keine Gefahr für Sie, vorausgesetzt, Sie bleiben weit genug entfernt).

• Die effektive Reichweite der Schwarzen Löcher beträgt viel weniger als 1 AE; bei dieser Entfernung ist beispielsweise die maximale Belastung$h\sim10^{-7}$, optimistisch.

• Würde es gegen die bestehenden Bestimmungen des Vertrags verstoßen? Da die Hawking-Strahlung vernachlässigbar wäre, sind Sie an dieser Front sicher; Angesichts der Tatsache, dass Sie in das andere System eintreten müssten, damit die Waffe eine Wirkung hat, würde ich argumentieren, dass der Versuch, dies als Waffe zu verwenden, tatsächlich gegen die Klausel bezüglich "Schwerkraftstörung" verstoßen würde.

• Sie können zeigen, dass nahe der Koaleszenz$v/c\approx0.7$. Dies liegt daran, dass Sie dies anhand des dritten Kepler-Gesetzes zeigen können$v/c\approx R_S^{1/2}/R^{1/2}$, wo$R$ist der Abstand zwischen den Zentren der Schwarzen Löcher und$R_S$ist der Schwarzschild-Radius eines der Schwarzen Löcher unter der Annahme von ungefähr gleicher Masse. Kurz bevor sie sich treffen,$R=2R_S$, So$v/c\approx\sqrt{(1/2)}\approx0.71$.

Ich bin mir nicht sicher, ob es wichtig ist, ob Gravitationswellen eine großartige Waffe sind, da die Quellen für diese Waffen durch Gravitationsstörungen der normalen Umlaufbahnen des Sonnensystems alles verwüsten werden, was auch nur annähernd in der Nähe ist.

Gravitationswellen sind im Vergleich zu elektromagnetischer Strahlung nur schwach wechselwirkend . Aber auch schwach wechselwirkende Teilchen wie Neutrinos können in ausreichenden Mengen tödlich sein.

Ich habe nicht die Mathematik, um irgendetwas zu beweisen, aber sie werden eines von zwei Szenarien sein.

1. Gravitationswellen sind nicht stark genug, um in Entfernungen, in denen die Schwerkraft der Schwarzen Löcher nicht tötet (direkt oder indirekt), Schaden anzurichten. Sie verhalten sich also nach den gleichen Gesetzen, die bestimmen, wie stark die Schwerkraft in einer bestimmten Entfernung ist.
2. Die Wellen liefern tödliche Energie in Entfernungen außerhalb der Gravitations-Tötungszone des Schwarzen Lochs.

Ich vermute stark, dass es die erste Situation ist. Wenn ja, dann ist ein Angriff durch Gravitationswellen gleichbedeutend mit einem Angriff durch Schwarze Löcher.