Pregúntele a Ethan: ¿Cómo escapan las ondas gravitacionales de un agujero negro?

La combinación de dos agujeros negros, especialmente en las etapas finales, conduce a la emisión de una gran cantidad de ondas gravitacionales.

Quizás el mayor descubrimiento de 2016 fue la detección directa de ondas gravitacionales. Aunque la teoría general de la relatividad de Einstein los predijo 101 años antes de este evento, para detectarlos fue necesario crear un interferómetro láser sensible a la curvatura del espacio, espejos móviles ubicados a varios kilómetros el uno del otro, a una distancia de no más de ^10-19 m, o 1 / 10000 diámetros de protones. Esto finalmente sucedió durante el procesamiento de datos LIGO en 2015, y se encontraron inequívocamente dos asociaciones verdaderas de agujeros negros entre los datos recibidos. Pero, ¿cómo lo permiten las leyes de la física? Nuestro lector quiere saber:

Esta pregunta me ocupó durante mucho tiempo. En los artículos sobre el descubrimiento realizado en LIGO, escriben que parte de la masa se emitió durante la fusión de los agujeros negros, debido a que el agujero negro resultante resultó ser menor que la suma de los dos originales. Sin embargo, se cree que uno no puede escapar de un agujero negro. ¿Cómo irradiaba la energía cuando se fusionaron los agujeros negros?

Una pregunta bastante profunda relacionada con la esencia misma de la física del agujero negro y la relatividad general.


Un agujero negro y sus alrededores, un disco de acreción acelerando y cayendo en él. La singularidad se esconde detrás del horizonte de eventos.

Por un lado tenemos un agujero negro. Toda su masa / energía se concentra en una singularidad en el centro, y no es visible para un observador externo debido a la presencia de un horizonte de eventos. En su interior, cualquier camino que pueda seguir una partícula, ya sea masiva o sin masa, independientemente de su velocidad o energía, la conducirá a una singularidad en el centro del agujero negro. Esto significa que cualquier partícula que caiga dentro del horizonte de eventos nunca podrá salir de allí, por lo que toda la energía quedará atrapada en el agujero negro para siempre. Una vez en un agujero negro, te conviertes en parte de las propiedades de la singularidad: masa, carga (todo tipo) y giro. Y eso es todo.


Las ondas en el espacio-tiempo tienen una frecuencia de la órbita total de los agujeros negros, y cuanto más cerca están del centro, más intensas

Por otro lado, GTR nos dice que cuando dos masas de cualquier tipo giran una alrededor de la otra, como resultado, aparecen ondas en la estructura del espacio y la órbita se estrecha gradualmente. Estas son ondas gravitacionales, se mueven a la velocidad de la luz, transportan energía con ellas y hacen que el espacio se expanda y se estreche a medida que pasa a través de ella. Debido a la famosa ecuación de Einstein E = mc ² (o, como la escribió originalmente, m = E / c ² ), sabemos que la fuente de energía es la masa, y la fuente de masa es la energía. Se pueden convertir de ida y vuelta; la masa es solo una forma que toma la energía.


Señal LIGO asociada con la primera detección precisa de ondas gravitacionales

Entonces, cuando LIGO publicó los resultados del evento que ocurrió el 14 de septiembre de 2015, en enero de 2016, no fue particularmente sorprendente que los científicos descubrieran dos agujeros negros, 36 y 29 masas solares, fusionándose para crear un nuevo agujero negro con un peso de 62 solares. ¿Y a dónde fueron las otras tres masas del Sol (aproximadamente el 5% del peso de todo el sistema)? Han entrado en la energía de las ondas gravitacionales. Todos los eventos detectados después de esto tenían aproximadamente la misma tendencia: dos agujeros negros de masas comparables convergieron en espiral, y aproximadamente el 5% de su masa inicial total se irradió hacia afuera en forma de ondas gravitacionales.

Pero cada agujero negro tiene un horizonte de eventos. Cada uno de los pares lo tenía antes de la fusión, tiene el agujero negro resultante, y en cualquier momento de la fusión la singularidad no se vuelve "desnuda" y no se muestra debido al horizonte de eventos. Entonces, ¿cómo disminuye la masa?


Cualquier objeto o forma, física o no física, se distorsiona cuando las ondas gravitacionales lo atraviesan. No se emiten ondas desde el horizonte de eventos.

Esta no es una pregunta capciosa. Esto es lo mismo que preguntar dónde está la masa cuando los protones se fusionan en deuterio, helio-3 y luego helio-4 en el sol. ¿Por qué el helio-4 es menos masivo que los cuatro protones de los que se originó? Debido a la energía de unión de los núcleos. Un estado unido es más estable y tiene menos energía (y, por lo tanto, menos masa) que uno no unido. Cuando dos agujeros negros se unen y se fusionan, se conectan más gravitacionalmente que antes. Pierden energía debido a la energía de la unión gravitacional, y no al hecho de que una parte de la masa abandone el horizonte de sucesos.


La ley de gravedad de Newton ha dado paso al GR de Einstein, pero todavía sirve como una herramienta visual para rastrear cantidades como la fuerza y ​​la energía.

Esto se puede ver desde la gravedad newtoniana. Imagine que tiene dos masas de 1 kg cada una, están descansando y separadas por una distancia infinita. Tal sistema tiene una energía interna de 1.8 × 10 ¹⁷ J, que puede calcularse a partir de la ecuación de Einstein E = mc ² . Ahora acérquelos reduciendo la distancia entre ellos.

• Si un kilómetro los separa, entonces todo el sistema perdió 6.67 × ^10-14 J.
• Si reduce la distancia al centímetro, el sistema perderá 6.67 × 10 ^-9 J.
• Si reduce la distancia al tamaño del protón, ^10-15 m, el sistema perderá 6.67 × 10 ⁴ J, es decir, 66700 J.
• Si desea perder una gran cantidad de energía, puede reducir la distancia que los separa a ^10-27 m, ¡y luego pierde 6.67 × 10 ¹⁶ J, o aproximadamente el 35% de la energía original del sistema!


Luz y ondas en el espacio. La luz, que pasa a través de un espacio curvo, cambia la forma en que el observador percibe en cualquier momento el tiempo transcurrido para la luz.

Por supuesto, el Universo en tales escalas está sujeto a GR, y no a la gravedad newtoniana, pero la esencia sigue siendo la misma. No son los agujeros negros los que pierden masa; Esta cantidad total de energía se transforma de una forma (dos masas separadas no unidas) a otra: una sola masa fuertemente conectada y radiación gravitacional. Las propiedades de la órbita y la masa de los agujeros negros iniciales determinan qué porcentaje de la masa inicial total se convertirá en la energía de unión, pero en cualquier caso la masa final será mayor que cualquiera de las iniciales, pero menor que su suma. La radiación máxima puede tomar hasta el 5% de la energía cuando las dos masas son aproximadamente iguales. Si sus espaldas contienen una gran cantidad de energía, y son paralelas, entonces este porcentaje se puede aumentar al 11%. Pero si una de las masas es muy superior a la otra, el porcentaje cae. Un agujero negro con una masa de 1 solar, fusionándose con un agujero negro con una masa de 1,000,000, perderá aproximadamente el 0,0001% de su energía por radiación.


La idea del artista de dos estrellas orbitando entre sí y fusionándose gradualmente, lo que genera ondas gravitacionales. Esta es una fuente probable de explosiones de rayos gamma de corta duración, así como una fuente de ondas gravitacionales.

Como resultado de la aproximación y fusión en espiral, no sale nada dentro de los agujeros negros, este espacio-tiempo se deforma bajo la influencia de la energía gravitacional potencial. En la última fase de la fusión, el horizonte de eventos toma la forma más efectiva: una esfera o esferoide. Es en la última fracción de segundo que se emite la mayor parte de la energía, pero no salen partículas del interior del horizonte de eventos. Las predicciones de Einstein son muy precisas, por lo que pudimos detectar estas ondas: calculamos qué señal deberíamos esperar. Nuestra intuición puede fallarnos, pero hay ecuaciones para esto. Incluso cuando nuestros instintos nos engañan, los cálculos nos darán la verdad científica.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].