Fragen Sie Ethan: Wie entweichen Gravitationswellen aus einem Schwarzen Loch?

Die Kombination von zwei Schwarzen Löchern, insbesondere im Endstadium, führt zur Emission einer großen Anzahl von Gravitationswellen

Die vielleicht größte Entdeckung des Jahres 2016 war die direkte Erfassung von Gravitationswellen. Obwohl Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sie 101 Jahre vor diesem Ereignis vorhergesagt hatte, war es zur Erkennung erforderlich, ein Laserinterferometer zu erstellen, das für die Krümmung des Raums empfindlich ist und mehrere Kilometer voneinander entfernte Spiegel in einer Entfernung von nicht mehr als 10 bis ¹⁹ m oder 1 verschiebt / 10000 Protonendurchmesser. Dies geschah schließlich während der Verarbeitung von LIGO-Daten im Jahr 2015, und zwei echte Assoziationen von Schwarzen Löchern wurden eindeutig unter den empfangenen Daten gefunden. Aber wie erlauben die Gesetze der Physik dies? Unser Leser möchte wissen:

Diese Frage hat mich sehr lange beschäftigt. In den Artikeln über die bei LIGO gemachte Entdeckung schreiben sie, dass ein Teil der Masse während der Fusion der Schwarzen Löcher emittiert wurde, wodurch sich herausstellte, dass das resultierende Schwarze Loch weniger als die Summe der beiden ursprünglichen Löcher war. Es wird jedoch angenommen, dass man einem Schwarzen Loch nicht entkommen kann. Wie strahlte Energie aus, als Schwarze Löcher verschmolzen?

Eine ziemlich tiefe Frage, die sich auf das Wesen der Schwarzlochphysik und der allgemeinen Relativitätstheorie bezieht.


Ein Schwarzes Loch und seine Umgebung, eine Akkretionsscheibe, die beschleunigt und hineinfällt. Die Singularität versteckt sich hinter dem Ereignishorizont.

Einerseits haben wir ein schwarzes Loch. Die gesamte Masse / Energie ist in einer Singularität im Zentrum konzentriert und für einen externen Beobachter aufgrund des Vorhandenseins eines Ereignishorizonts nicht sichtbar. Jeder Pfad, dem ein Teilchen folgen kann, sei es massiv oder masselos, unabhängig von seiner Geschwindigkeit oder Energie, führt es zu einer Singularität in der Mitte des Schwarzen Lochs. Dies bedeutet, dass Partikel, die in den Ereignishorizont fallen, niemals dort herauskommen können, sodass die gesamte Energie für immer im Schwarzen Loch gefangen wird. Sobald Sie sich in einem Schwarzen Loch befinden, werden Sie Teil der Eigenschaften der Singularität: Masse, Ladung (aller Art) und Spin. Und alle.


Wellen in der Raumzeit haben eine Frequenz der gesamten Umlaufbahn der Schwarzen Löcher, und je näher sie am Zentrum liegen, desto intensiver

Andererseits sagt uns die GTR, dass, wenn sich zwei Massen jeglicher Art umeinander drehen, Wellen auf dem Raumgefüge erscheinen und sich die Umlaufbahn allmählich verengt. Dies sind Gravitationswellen, sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, tragen Energie mit sich und bewirken, dass sich der Raum beim Durchgang ausdehnt und verengt. Aufgrund von Einsteins berühmter Gleichung E = mc ² (oder, wie er es ursprünglich schrieb, m = E / c ² ) wissen wir, dass die Energiequelle Masse und die Massequelle Energie ist. Sie können hin und her konvertiert werden; Masse ist nur eine Form, die Energie annimmt.


LIGO-Signal, das mit der ersten genauen Erfassung von Gravitationswellen verbunden ist

Als LIGO die Ergebnisse des Ereignisses vom 14. September 2015 im Januar 2016 veröffentlichte, war es nicht besonders überraschend, dass Wissenschaftler zwei Schwarze Löcher - 36 und 29 Sonnenmassen - entdeckten, die sich zu einem neuen Schwarzen Loch zusammenschlossen 62 Solar wiegen. Und wohin gingen die anderen drei Sonnenmassen (ungefähr 5% des Gewichts des gesamten Systems)? Sie sind in die Energie der Gravitationswellen gegangen. Alle danach festgestellten Ereignisse hatten ungefähr die gleiche Tendenz: Zwei Schwarze Löcher vergleichbarer Massen konvergierten in einer Spirale, und ungefähr 5% ihrer gesamten Ausgangsmasse strahlten in Form von Gravitationswellen nach außen.

Aber jedes Schwarze Loch hat einen Ereignishorizont. Jedes Paar hatte es vor der Fusion, es hat das resultierende Schwarze Loch, und zu jedem Zeitpunkt der Fusion wird die Singularität nicht „nackt“ und wird aufgrund des Ereignishorizonts nicht angezeigt. Wie nimmt die Masse ab?


Jedes Objekt oder jede Form, physisch oder nicht physisch, wird verzerrt, wenn Gravitationswellen durch sie hindurchtreten. Vom Ereignishorizont werden keine Wellen ausgesendet.

Dies ist keine Trickfrage. Dies ist dasselbe wie die Frage, wo sich die Masse befindet, wenn Protonen in der Sonne zu Deuterium, Helium-3 und dann zu Helium-4 verschmelzen. Warum ist Helium-4 weniger massereich als die vier Protonen, aus denen es stammt? Aufgrund der Bindungsenergie der Kerne. Ein gebundener Zustand ist stabiler und hat weniger Energie (und damit weniger Masse) als ein ungebundener. Wenn zwei Schwarze Löcher zusammenkommen und verschmelzen, werden sie gravitativer miteinander verbunden als zuvor. Sie verlieren Energie aufgrund der Energie der Gravitationsbindung und nicht aufgrund der Tatsache, dass ein Teil der Masse den Ereignishorizont verlässt.


Newtons Gravitationsgesetz ist Einsteins GR gewichen, dient aber immer noch als visuelles Werkzeug zur Verfolgung von Größen wie Kraft und Energie.

Dies ist aus der Newtonschen Schwerkraft ersichtlich. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Massen von jeweils 1 kg, die ruhen und durch einen unendlichen Abstand voneinander getrennt sind. Ein solches System hat eine innere Energie von 1,8 × 10 ¹⁷ J, die aus der Einstein-Gleichung E = mc ² berechnet werden kann. Bringen Sie sie jetzt näher heran, indem Sie den Abstand zwischen ihnen verringern.

• Wenn ein Kilometer sie trennt, verliert das gesamte System 6,67 × 10 ^-14 J.
• Wenn Sie den Abstand auf den Zentimeter verringern, verliert das System 6,67 × 10 ^-9 J.
• Wenn Sie den Abstand auf die Größe des Protons von 10 bis ¹⁵ m verringern, verliert das System 6,67 × 10 ⁴ J, dh 66700 J.
• Wenn Sie eine wirklich große Energiemenge verlieren möchten, können Sie den Abstand zwischen ihnen auf 10 bis ²⁷ m reduzieren. Dann verlieren Sie 6,67 × 10 ¹⁶ J oder etwa 35% der ursprünglichen Energie des Systems!


Licht und Wellen im Raum. Licht, das durch einen gekrümmten Raum geht, verändert die Art und Weise, wie der Betrachter zu jedem Zeitpunkt die für Licht verstrichene Zeit wahrnimmt.

Natürlich unterliegt das Universum auf solchen Skalen der GR und nicht der Newtonschen Schwerkraft, aber die Essenz bleibt dieselbe. Es sind keine schwarzen Löcher, die an Masse verlieren; Diese Gesamtenergiemenge wird von einer Form - zwei getrennten ungebundenen Massen - in eine andere umgewandelt: eine einzelne, stark verbundene Masse und Gravitationsstrahlung. Die Eigenschaften der Umlaufbahn und der Masse der anfänglichen Schwarzen Löcher bestimmen, wie viel Prozent der gesamten anfänglichen Masse zur Bindungsenergie werden, aber in jedem Fall ist die endgültige Masse größer als eine der anfänglichen, aber kleiner als ihre Summe. Die maximale Strahlung kann bis zu 5% der Energie aufnehmen, wenn die beiden Massen ungefähr gleich sind. Wenn ihr Rücken eine große Menge Energie enthält und sie parallel sind, kann dieser Prozentsatz auf 11% erhöht werden. Aber wenn eine der Massen der anderen weit überlegen ist, sinkt der Prozentsatz. Ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 1 Sonne, das mit einem Schwarzen Loch mit einer Masse von 1.000.000 verschmilzt, verliert durch Strahlung etwa 0,0001% seiner Energie.


Die Idee des Künstlers, dass zwei Sterne sich gegenseitig umkreisen und allmählich verschmelzen, wodurch Gravitationswellen erzeugt werden. Dies ist eine wahrscheinliche Quelle für kurzlebige Gammastrahlenausbrüche sowie eine Quelle für Gravitationswellen.

Durch die Annäherung und Verschmelzung der Spirale kommt nichts in den Schwarzen Löchern heraus, diese Raumzeit wird unter dem Einfluss potentieller Gravitationsenergie deformiert. In der letzten Phase der Fusion nimmt der Ereignishorizont die effektivste Form an - eine Kugel oder ein Sphäroid. In der allerletzten Sekunde wird der größte Teil der Energie abgegeben, aber es treten keine Partikel aus dem Inneren des Ereignishorizonts aus. Einsteins Vorhersagen sind sehr genau, weshalb wir diese Wellen erfassen konnten: Wir haben berechnet, welches Signal wir erwarten sollten. Unsere Intuition mag uns scheitern, aber dafür gibt es Gleichungen. Selbst wenn uns unsere Instinkte täuschen, geben uns Berechnungen die wissenschaftliche Wahrheit.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).