Sóng hấp dẫn có thể đi qua một lỗ đen?

Như tiêu đề đã nói, điều gì xảy ra khi sóng hấp dẫn tiếp cận lỗ đen? Tôi sẽ cho rằng một cái gì đó thú vị xảy ra do cách hoạt động của không thời gian gần các hố đen nhưng tôi không có kiến ​​thức để sao lưu nó.

Không, sóng hấp dẫn không thể đi qua một lỗ đen.

Một sóng hấp dẫn đi theo một con đường xuyên không thời gian gọi là trắc địa null. Đây là cùng một con đường sẽ được theo sau bởi một tia sáng truyền theo cùng một hướng và sóng hấp dẫn bị ảnh hưởng bởi các lỗ đen giống như các tia sáng. Vì vậy, ví dụ sóng hấp dẫn có thể bị khúc xạ bởi các thấu kính hấp dẫn giống như sóng ánh sáng. Và cũng giống như sóng ánh sáng, nếu một sóng hấp dẫn đi qua chân trời sự kiện bao quanh một lỗ đen, thì nó sẽ bị tiêu diệt để đi vào điểm kỳ dị và không bao giờ có thể thoát ra.

Có một cảnh báo cho điều này. Khi chúng ta nói về sóng hấp dẫn, chúng ta thường có nghĩa là một gợn sóng trong không thời gian tương đối nhỏ. Cụ thể nó đủ nhỏ để năng lượng của sóng hấp dẫn không ảnh hưởng đáng kể đến độ cong không thời gian. Vì vậy, khi chúng ta tính toán quỹ đạo của sóng hấp dẫn gần lỗ đen, chúng ta lấy hình dạng lỗ đen là cố định, tức là không bị ảnh hưởng bởi sóng và chúng ta tính toán quỹ đạo của sóng trong nền cố định này.

Đây chính xác là cách tiếp cận giống như chúng ta sử dụng để tính toán quỹ đạo của các tia sáng. Vì các tia sáng mang năng lượng và động lượng sau đó, ít nhất là về nguyên tắc, chúng có trường hấp dẫn riêng. Nhưng đối với cả các tia sáng và sóng hấp dẫn có khả năng tồn tại trong vũ trụ, năng lượng mang theo là quá nhỏ để đóng góp đáng kể vào độ cong không thời gian.

Khi bạn nói trong câu hỏi của bạn:

Tôi sẽ cho rằng điều gì đó thú vị xảy ra do cách hoạt động của không thời gian gần các hố đen

Tôi đoán bạn đang nghĩ rằng sóng hấp dẫn có thể thay đổi hình học gần một lỗ đen, nhưng như mô tả ở trên sóng hấp dẫn điển hình không có đủ năng lượng để làm điều này. Sẽ là hợp lý khi hỏi điều gì xảy ra nếu chúng ta cung cấp cho sóng đủ năng lượng, nhưng câu trả lời hóa ra là nó không còn hoạt động như một sóng đơn giản.

Sóng hấp dẫn tồn tại trong một chế độ gọi là lực hấp dẫn tuyến tính trong đó chúng tuân theo một phương trình sóng về cơ bản tương tự như phương trình sóng ánh sáng tuân theo. Nếu chúng ta tăng năng lượng đến mức lực hấp dẫn trở thành phi tuyến tính (như trường hợp của các lỗ đen) thì các dao động trong độ cong không thời gian không còn tuân theo một phương trình sóng và cần được mô tả bởi các phương trình Einstein đầy đủ. Ví dụ, nó đã được đề xuất, nhưng chưa được chứng minh, rằng sóng hấp dẫn (hoặc ánh sáng) năng lượng thực sự cao có thể tương tác với nhau để tạo thành một trạng thái ràng buộc gọi là geon . Tôi thú nhận rằng tôi không chắc có bao nhiêu công việc đã được thực hiện khi nghiên cứu dao động trong chế độ này.

Sóng hấp dẫn nên được thấu kính bởi các vật thể lớn theo cách rất giống với ánh sáng.

Các tia sáng (và bằng cách mở rộng, sóng hấp dẫn) từ một vật ở xa, truyền qua trong vòng 1,5 lần bán kính Schwarzschild (đối với lỗ đen không quay) có các quỹ đạo đi theo hướng chân trời sự kiện. Sóng trên các quỹ đạo như vậy không thể thoát khỏi lỗ đen, vì vậy câu trả lời cơ bản là không, sóng hấp dẫn không thể "đi qua lỗ đen".

Tuy nhiên, ngoài việc "che giấu" một nguồn sóng hấp dẫn, một lỗ đen can thiệp sẽ gây ra sự hiện diện của các hình ảnh được thấu kính và phóng đại. Để căn chỉnh hoàn hảo nguồn, lỗ đen và người quan sát, sẽ có một "vòng Einstein" mãnh liệt ở bán kính góc phụ thuộc vào khoảng cách tương đối của nguồn và lỗ đen.

Tất nhiên hiện tại sóng hấp dẫn không thể được tạo ra, vì vậy những gì sẽ được phát hiện là tín hiệu sóng hấp dẫn được tăng cường bất thường.

Tất cả những điều trên nằm trong giới hạn quang học hình học rằng bước sóng nhỏ so với ống kính. Nếu lỗ đen đủ nhỏ (phụ thuộc vào khối lượng của nó) hoặc bước sóng sóng hấp dẫn đủ lớn, thì hành vi phải tương tự như sóng phẳng gặp phải một đĩa nhỏ, mờ đục ( Takahashi & Nakamura 2003 ).

Trong trường hợp đó, chúng ta sẽ có được một mẫu nhiễu xạ và có lẽ là một điểm Arago "sáng" ở trung tâm, mặc dù tôi không biết về bất kỳ tính toán nào như vậy trong tài liệu.

Đây không phải là một kịch bản không thể xảy ra. Ví dụ, sóng hấp dẫn được phát hiện bởi LIGO có tần số tương đối cao 10-1000 Hz và do đó bước sóng 30.000-300 km, lớn bằng bán kính Schwarzschild của 10.000 - 100 lỗ đen khối lượng mặt trời và chắc chắn lớn hơn tàn dư lỗ đen của sự tiến hóa sao.