Wie verwandelt eine Neutronensternkollision Masse in Gravitationswellen?

Ich habe in der TED-Radiostunde gehört, dass bei der Neutronensternkollision, die LIGO kürzlich entdeckte, ein Teil der Masse der Neutronensterne in Energie in Form von Gravitationswellen umgewandelt wurde. Wie soll das gehen?

Da Sie nicht nach Schwarzen Löchern fragen, lautet die Frage: Wie verlieren die Sterne Masse, während sie die Baryonen- (und Leptonen-) Anzahl beibehalten?
Welches Niveau an Physik und Mathematik soll in einer Erklärung verwendet werden? Dies ist eine sehr weit gefasste Frage, da sie viele verschiedene Elemente umfasst: warum es überhaupt Gravitationswellen gibt, warum kollidierende Neutronensterne sie erzeugen und warum ihre Emission Masse in Energie umwandelt. Eine lange Antwort auf alle drei Fragen zu schreiben, ist nicht unbedingt eine gute Nutzung der Zeit der Leute, wenn sie nicht auf dem Niveau ist, das Sie brauchen.

Antworten (2)

Dies ist nicht allzu schwer zu verstehen. Tatsächlich wird selbst die Anwendung der Newtonschen Intuition eine Antwort geben, die eine vernünftige (qualitative) Annäherung an die (immer komplizierte) relativistische Realität ist.

Einfach ausgedrückt kann dies als zwei Prozesse betrachtet werden:

  1. Die gegenseitige Anziehungskraft beschleunigt die beiden Objekte. In Newtons Begriffen arbeiten die Gravitationskräfte, wenn die Inspirationsspirale schrumpft (potenzielle Gravitationsenergie in kinetische Energie umwandelt).

  2. Während die beiden Neutronensterne im Gravitationsfeld des jeweils anderen kreisen, entstehen Gravitationswellen. (Dieses Bit ist eindeutig relativistisch und hat kein richtiges Newtonsches Gegenstück, aber wenn Sie möchten, können Sie darüber nachdenken, wie sich bewegende elektrische Ladungen elektromagnetische Wellen erzeugen.) Dieser Prozess nimmt kinetische Energie von den sich bewegenden Neutronensternen und wandelt sie in Gravitationsstrahlung um.

Das fasst ziemlich genau zusammen, was vor sich geht. Das ist natürlich etwas vereinfacht. In der Allgemeinen Relativitätstheorie haben Dinge wie kinetische und potentielle Energie keine schönen, lokalen Definitionen, was die Beschreibung viel schwieriger macht.

Beachten Sie, dass sich die Baryonenzahl der Neutronensterne im Gegensatz zu den Vorschlägen in den Kommentaren während der Inspiration nicht ändert. Insbesondere stammt die in den Gravitationswellen abgestrahlte Energie nicht aus der Umwandlung von Ruhemasse, sondern aus der Erhöhung der Bindungsenergie des Systems.

Mir ist klar, dass die beiden obigen Punkte die Frage "Wie verwandelt eine Neutronensternkollision Masse in Gravitationswellen?" nicht vollständig beantworten. Die fehlende Zutat ist, dass die schwere Masse des Systems als Ganzes gegeben ist durch

(Gesamtruhemasse) (Bindungsenergie) C 2 ,

Daher bedeutet eine Erhöhung der Bindungsenergie eine Verringerung der Gravitationsmasse.

Ja, das ist der Teil, der für mich Sinn macht, Energie in Gravitationswellen umzuwandeln. Sie ließen es klingen, als würden einige der Neutronen in Gravitationsstrahlung umgewandelt. Das wäre seltsam ... Es scheint also, als wäre die Wortwahl, die sie in der TED Radio Hour verwendeten, etwas irreführend ...

Die kurze Antwort ist, dass niemand weiß. Wenn Sie sagen, dass Masse in Form von Gravitationswellen in Energie umgewandelt wird, sprechen Sie von Masse in Form von Nukleonen (Neutronen), die irgendwie in Quanten von Gravitationswellen (Gravitonen) umgewandelt werden. Aus dieser Perspektive betrachtet lautet die Frage ungefähr: „Was ist die Quantennatur der Gravitation?“, und das ist eine offene Frage. Der Grund dafür ist, dass wir, um die Umwandlung von Neutronen in Gravitonen zu verstehen, in einem gewissen effektiven Sinne eine Kopplung zwischen den beiden Feldern voraussetzen, insbesondere einen Operator in der Lagrangefunktion, der einen Scheitelpunkt erzeugt, der die Standardmodell-Fermionen und ein gewisses Quantengravitationsfeld enthält ( normalerweise für ein masseloses Spin-2-Feld gehalten). Aber in Wirklichkeit ist eine solche Theorie noch lange nicht vollständig ausgearbeitet.

Im Prinzip kann das System Masse verlieren, ohne die Nukleonenzahl (oder jede andere Teilchenzahl) zu ändern. Denn die Masse eines Systems ergibt sich nicht durch Addition der Masse der Teile. Dies tritt regelmäßig bei Kernen auf, richtig?
Offensichtlich kann die Umwandlung von potentieller Gravitationsenergie in Gravitationswellen als Umwandlung von "Masse-Energie" bezeichnet werden, aber das ist nur ein Wortspiel. Ich gehe davon aus, dass OP wissen wollte, ob Ruhemasse in Gravitationsenergie umgewandelt wird oder nicht.