Tanyakan Ethan: Bagaimana gelombang gravitasi keluar dari lubang hitam?

Kombinasi dua lubang hitam, terutama di tahap akhir, mengarah pada emisi sejumlah besar gelombang gravitasi

Mungkin penemuan terbesar tahun 2016 adalah deteksi langsung gelombang gravitasi. Meskipun teori relativitas umum Einstein meramalkannya 101 tahun sebelum peristiwa ini, untuk mendeteksinya, penting untuk membuat interferometer laser yang peka terhadap kelengkungan ruang, cermin yang bergeser yang terletak beberapa kilometer dari satu sama lain, pada jarak tidak lebih dari 10 ^-19 m, atau 1 / 10.000 diameter proton. Ini akhirnya terjadi selama pemrosesan data LIGO pada tahun 2015, dan dua asosiasi black hole yang sebenarnya ditemukan di antara data yang diterima. Tetapi bagaimana hukum fisika memungkinkan ini? Pembaca kami ingin tahu:

Pertanyaan ini menyibukkan saya sejak lama. Dalam artikel tentang penemuan yang dilakukan di LIGO, mereka menulis bahwa bagian dari massa dipancarkan selama penggabungan lubang hitam, karena yang lubang hitam yang dihasilkan ternyata kurang dari jumlah dari dua yang asli. Namun, diyakini bahwa seseorang tidak bisa lepas dari lubang hitam. Bagaimana energi memancar ketika lubang hitam bergabung?

Sebuah pertanyaan yang agak mendalam terkait dengan esensi fisika lubang hitam dan relativitas umum.


Sebuah lubang hitam dan sekitarnya, sebuah piringan akresi yang mempercepat dan jatuh ke dalamnya. Singularitas bersembunyi di balik cakrawala acara.

Di satu sisi kita memiliki lubang hitam. Semua massa / energinya terkonsentrasi dalam singularitas di tengah, dan itu tidak terlihat oleh pengamat eksternal karena kehadiran horizon peristiwa. Di dalamnya, jalan apa pun yang dapat diikuti oleh partikel, baik itu masif atau tanpa massa, terlepas dari kecepatan atau energinya, akan membawanya ke singularitas di tengah lubang hitam. Ini berarti bahwa setiap partikel yang jatuh di dalam horizon peristiwa tidak akan pernah bisa keluar dari sana, sehingga semua energi akan terperangkap di dalam lubang hitam selamanya. Setelah berada di lubang hitam, Anda menjadi bagian dari sifat singularitas: massa, muatan (semua jenis), dan putaran. Dan itu dia.


Gelombang dalam ruang-waktu memiliki frekuensi total orbit lubang hitam, dan semakin dekat mereka ke pusat, semakin kuat

Di sisi lain, GTR memberi tahu kita bahwa ketika dua massa jenis apa pun berputar satu sama lain, sebagai akibatnya, gelombang muncul pada jalinan ruang angkasa, dan orbitnya secara bertahap menyempit. Ini adalah gelombang gravitasi, mereka bergerak dengan kecepatan cahaya, membawa energi bersamanya, dan menyebabkan ruang mengembang dan menyempit saat melewatinya. Karena persamaan Einstein yang terkenal, E = mc ² (atau, seperti yang ditulisnya semula, m = E / c ² ), kita tahu bahwa sumber energi adalah massa, dan sumber massa adalah energi. Mereka dapat dipertobatkan bolak-balik; massa hanyalah satu bentuk energi yang dibutuhkan.


Sinyal LIGO terkait dengan deteksi akurat pertama dari gelombang gravitasi

Jadi ketika LIGO menerbitkan hasil dari peristiwa yang terjadi pada 14 September 2015, pada Januari 2016, itu tidak mengejutkan bahwa para ilmuwan menemukan dua lubang hitam - 36 dan 29 massa matahari - bergabung untuk membuat lubang hitam baru beratnya 62 solar. Dan kemana perginya ketiga massa Matahari (sekitar 5% dari berat keseluruhan sistem)? Mereka telah memasuki energi gelombang gravitasi. Semua peristiwa yang terdeteksi setelah ini memiliki kecenderungan yang kira-kira sama: dua lubang hitam dari massa yang sebanding berkumpul dalam spiral, dan sekitar 5% dari total massa awal mereka terpancar ke luar dalam bentuk gelombang gravitasi.

Tetapi setiap lubang hitam memiliki horizon peristiwa. Masing-masing pasangan memilikinya sebelum merger, memiliki lubang hitam yang dihasilkan, dan pada setiap saat merger singularitas tidak menjadi "telanjang" dan tidak ditampilkan karena horizon acara. Jadi, bagaimana massa berkurang?


Setiap benda atau bentuk, fisik atau non-fisik, terdistorsi ketika gelombang gravitasi melewatinya. Tidak ada gelombang yang dipancarkan dari horizon peristiwa.

Ini bukan pertanyaan jebakan. Ini sama dengan bertanya di mana massa berada ketika proton bergabung menjadi deuterium, helium-3, dan kemudian helium-4 di bawah sinar matahari. Mengapa helium-4 kurang masif dari empat proton dari mana asalnya? Karena energi pengikatan inti Keadaan terikat lebih stabil, dan memiliki energi lebih sedikit (dan karenanya lebih sedikit massa) daripada yang terikat. Ketika dua lubang hitam bersatu dan bergabung, mereka menjadi lebih terhubung secara gravitasi daripada sebelumnya. Mereka kehilangan energi karena energi ikatan gravitasi, dan bukan karena fakta bahwa beberapa bagian massa meninggalkan horizon peristiwa.


Hukum gravitasi Newton telah memberi jalan kepada Einstein's GR, tetapi masih berfungsi sebagai alat visual untuk melacak jumlah seperti gaya dan energi.

Ini bisa dilihat dari gravitasi Newton. Bayangkan bahwa Anda memiliki dua massa masing-masing 1 kg, mereka beristirahat dan dipisahkan oleh jarak yang tak terbatas. Sistem semacam itu memiliki energi internal 1,8 × 10 ¹⁷ J, yang dapat dihitung dari persamaan Einstein E = mc ² . Sekarang bawa mereka lebih dekat dengan mengurangi jarak di antara mereka.

• Jika satu kilometer memisahkan mereka, maka seluruh sistem kehilangan 6,67 × 10 ^-14 J.
• Jika Anda mengurangi jarak ke sentimeter, sistem akan kehilangan 6,67 × 10 ^-9 J.
• Jika Anda mengurangi jarak ke ukuran proton, 10 ^-15 m, sistem akan kehilangan 6,67 × 10 ⁴ J, yaitu, 66700 J.
• Jika Anda ingin kehilangan energi yang sangat besar, Anda dapat mengurangi jarak memisahkannya menjadi 10 ^-27 m, dan kemudian Anda kehilangan 6,67 × 10 ¹⁶ J, atau sekitar 35% dari energi asli sistem!


Cahaya dan gelombang di ruang angkasa. Cahaya, melewati ruang melengkung, mengubah cara pengamat memandang pada titik kapan pun berlalu untuk cahaya.

Tentu saja, Semesta pada skala seperti itu tunduk pada GR, dan bukan gravitasi Newton, tetapi esensinya tetap sama. Bukan lubang hitam yang kehilangan massa; jumlah total energi ini ditransformasikan dari satu bentuk - dua massa yang tidak terikat yang terpisah - ke yang lain: satu massa, radiasi yang sangat kuat dan radiasi gravitasi. Sifat-sifat orbit dan massa lubang hitam awal menentukan berapa persen dari total massa awal akan menjadi energi yang mengikat, tetapi dalam kasus apa pun, massa akhir akan lebih besar daripada yang awal, tetapi kurang dari jumlah mereka. Radiasi maksimum dapat mengambil hingga 5% dari energi ketika kedua massa kira-kira sama. Jika punggung mereka mengandung sejumlah besar energi, dan mereka sejajar, maka persentase ini dapat ditingkatkan menjadi 11%. Tetapi jika salah satu massa jauh lebih unggul dari yang lain, persentasenya turun. Sebuah lubang hitam dengan massa 1 matahari, bergabung dengan lubang hitam dengan massa 1.000.000, akan kehilangan sekitar 0.0001% energinya oleh radiasi.


Ide seniman tentang dua bintang yang mengorbit satu sama lain dan secara bertahap bergabung, yang menghasilkan gelombang gravitasi. Ini kemungkinan sumber ledakan sinar gamma berumur pendek, serta sumber gelombang gravitasi.

Sebagai hasil dari spiral yang mendekat dan menyatu, tidak ada apapun di dalam lubang hitam yang keluar, ruang-waktu ini berubah bentuk di bawah pengaruh energi gravitasi potensial. Pada fase terakhir merger, horizon peristiwa mengambil bentuk yang paling efektif - bola atau bola. Dalam sepersekian detik terakhir bahwa sebagian besar energi dipancarkan, tetapi tidak ada partikel dari bagian dalam horizon peristiwa yang keluar. Prediksi Einstein sangat akurat, itulah sebabnya kami dapat mendeteksi gelombang ini: kami menghitung sinyal apa yang harus kami harapkan. Intuisi kita mungkin mengecewakan kita, tetapi ada persamaan untuk ini. Bahkan ketika naluri kita menipu kita, perhitungan akan memberi kita kebenaran ilmiah.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].