Дзве зліваюцца чорныя дзіркі, асабліва на апошняй стадыі зліцця, выпраменьваюць велізарную колькасць гравітацыйных хваль. Крэдыт малюнкаў: SXS, праект Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Спытаеце Этана: Як гравітацыйныя хвалі выбягаюць з чорнай дзіркі?

Яны рухаюцца са хуткасцю святла, але нават святло не можа вырвацца. Дык як робяць гравітацыйныя хвалі?

"Я думаю, што існуе шэраг эксперыментаў, якія разважаюць над тым, як вы маглі б выглядаць у розных дыяпазонах частот, і атрымліваеце ўяўленне пра першародны фон гравітацыйнай хвалі. Я думаю, што гэта сапраўды рэвалюцыйна, таму што гэта быў бы ваш першы погляд у самы першы момант нашага Сусвету ". -Dave Reitze, выканаўчы дырэктар LIGO

Мабыць, самым вялікім адкрыццём усіх анансаваных у 2016 годзе было непасрэднае выяўленне гравітацыйных хваль. Нягледзячы на ​​тое, што іх прадказала агульная тэорыя адноснасці Эйнштэйна за 101 год да гэтага, спатрэбілася распрацоўка лазернага інтэрферометра, адчувальнага да пульсацый у космасе, які мог бы зрушыць два люстэрка, падзеленыя на некалькі кіламетраў менш чым на 10 ^ -19 метраў, або 1 / 10-тысячная шырыня пратона. Гэта нарэшце здзейснілася падчас запуску дадзеных LIGO за 2015 год, і два добрасумленныя чорныя дзірачкі і чорныя дзіркі зліцця яд адназначна выскачылі з дадзеных. Але як фізіка на самай справе дазваляе гэта? Марціш Кальванс хоча ведаць:

Гэтае пытанне мяне збянтэжыла даўно. Артыкулы пра адкрыццё LIGO сцвярджаюць, што нейкі адсотак масы зліцця чорнай дзіркі выпраменьваўся, у выніку чаго [а] ў выніку з'явілася чорная дзірка, меншая, чым [[]] сумы зліцця []]. Але прынята, што з чорных дзірак нічога не пазбегнуць […] Такім чынам, маё пытанне: як выпраменьвалася энергія ад зліцця чорнай дзіркі?

Гэта сапраўды глыбокае пытанне, і якраз ідзе ў аснову фізікі чорнай дзіркі і агульнай адноснасці.

Ілюстрацыя чорнай дзіркі і яе наваколля, паскарэння і падзення аккреционного дыска. Сінгулярнасць схавана за гарызонтам падзей. Малюнак: НАСА.

З аднаго боку, у нас чорная дзірка. Уся яго маса / энергія сканцэнтравана ў незвычайнасці ў цэнтры, і ён назаўжды незаўважны для знешняга назіральніка дзякуючы наяўнасці гарызонту падзей. Усярэдзіне пэўнай прасторы (вызначанай гарызонтам падзей) любы шлях, які можа прайсці любая часціца, будзь то масіўны або бязмасштабны, незалежна ад хуткасці і энергіі, непазбежна перанясе яго ў цэнтральную асаблівасць чорнай дзіры. Гэта азначае, што любая часціца, якая трапляе ў гарызонт падзей, перасякае ў гарызонт падзей альбо інакш калі-небудзь апынецца ўнутры гарызонту падзей, ніколі не зможа выбрацца, і, такім чынам, яго энергія назаўсёды застанецца ўнутры. Пасля таго, як вы знаходзіцеся ў чорнай дзірцы, вы проста становіцеся часткай уласцівасцей незвычайнасці: масы, зарада (розных тыпаў) і спіна. Вось і ўсё.

Пульсацыі ў касмічным часе ўзнікаюць на частаце ўзаемнай арбіты чорных дзірак і больш інтэнсіўныя, чым бліжэй да іх. Крэдыт малюнка: Р. Харт - Caltech / JPL.

З іншага боку, агульная адноснасць Эйнштэйна кажа нам, што, калі дзве масы (любога тыпу) круцяцца паміж сабой, яны ствараюць пульсацыі ў самой тканіне космасу па меры распаду саміх арбіт. Гэтыя рабізны, вядомыя як гравітацыйныя хвалі, рухаюцца са хуткасцю святла, выклікаюць пашырэнне і скарачэнне прасторы, калі яны праходзяць праз яе, і нясуць энергію. З-за найвядомага раўнання Эйнштэйна - E = mc2 (альбо, як ён пісаў першапачаткова, m = E / c2), мы ведаем, што адна крыніца энергіі - гэта маса, а адна - маса. Яны могуць ператварацца адзін у аднаго; маса - гэта толькі адна канкрэтная форма, якую можа набыць энергія.

Сігнал ад LIGO першага надзейнага выяўлення гравітацыйных хваль. Крэдыт малюнка: назіранне гравітацыйных хваль ад двайковага зліцця чорнай дзіркі BP Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Dera Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016).

Таму, калі LIGO апублікавала вынікі мерапрыемства, якое адбылося 14 верасня 2015 года ў студзені гэтага года, было толькі мякка здзіўленнем, калі яны знайшлі дзве чорныя дзіркі - 36 і 29 сонечных мас - зліваючыся разам, каб стварыць новую чорную дзірку 62 сонечныя масы. Куды падзеліся астатнія 3 сонечныя масы (каля 5% ад агульнай масы сістэмы)? У энергіі гравітацыйных хваль. З наступнымі падзеямі, якія былі выяўлены, узнікае прыблізна тая ж тэндэнцыя: дзве чорныя дзіркі супастаўнай масы натхняюцца і зліваюцца разам, і прыблізна 5% іх агульнай пачатковай масы выпраменьваецца ў выглядзе гравітацыйных хваль.

Але ў кожнай чорнай дзірцы ёсць гарызонт падзей. У кожнай пары ёсць адзін перад зліццём, у канчатковай чорнай дзірцы пасля зліцця ёсць адна, і ні ў адзін момант падчас зліцця аніякая незвычайнасць не становіцца «голай» альбо калі-небудзь выходзіць з гарызонту падзей. Такім чынам, як атрымаецца маса?

Любы прадмет альбо форма, фізічная ці нефізічная, будзе скажона, калі гравітацыйныя хвалі праходзяць праз яе. Звярніце ўвагу, як з-за гарызонту падзей чорнай дзіркі ніколі не выпраменьваецца хваля. Крэдыт на малюнак: NASA / Эймскі даследчы цэнтр / C. Гензэ.

Гэта не проста хітрае пытанне; гэта хітрае пытанне! Гэта ўсё роўна, што пытацца, куды ідзе маса, калі пратоны зліваюцца з дэйтерыем, геліем-3, а потым геліем-4 на Сонцы. Чаму гелій-4 менш масіўны, чым чатыры пратоны, якія яго склалі? З-за ядзернай энергіі звязвання. Злучанае стан больш стабільнае і мае менш энергіі (а значыць, і менш масы), чым неслучанае. Калі дзве чорныя дзіркі ўдыхаюць, зліваюцца і зліваюцца, гэтыя дзве чорныя дзіркі становяцца ўсё больш звязанымі - больш гравітацыйна звязанымі - чым былі раней. Энергія, якую яны губляюць, звязана з гравітацыйнай энергіяй звязвання, а не таму, што адна з мас выходзіць з гарызонту падзей.

Закон аб усеагульным гравітацыі Ньютана быў выцеснены агульнай адноснасцю Эйнштэйна, але ён усё яшчэ з'яўляецца ілюстрацыйным інструментам для прагляду колькасці, як сіла і энергія. Малюнак: Wikimedia распаўсюджаны карыстальнікам Dennis Nilsson.

Вы можаце бачыць гэта толькі з гравітацыі Ньютана. Уявіце, у вас дзве масы па 1 кг кожная, у спакоі кожная і ўзаемна падзеленыя бясконцай адлегласцю. Яны валодаюць пэўнай колькасцю энергіі, уласцівай ім гэтай сістэме: 1,8 × 10 les джоуляў, якую можна атрымаць з раўнання Эйнштэйна, E = mc2. Цяпер прывядзіце іх адзін да аднаго і зніміце адлегласць.

  • Калі іх зараз аддзяліць толькі адзін кіламетр, уся сістэма страціла 6,67 × 10 ^ -14 джоуляў энергіі.
  • Калі скараціць раздзяленне да аднаго сантыметра, сістэма страціць 6,67 × 10 ^ -9 джоуляў.
  • Калі вы зводзіце гэты прамежак да памеру пратона, у 10 ^ -15 метраў, зараз сістэма губляе неверагодныя 6,67 × 10⁴ джоуляў, альбо 66 700 джоуляў. (Цяпер мы кудысьці дабіраемся!)
  • І таму, калі вы хочаце страціць сапраўды значную колькасць энергіі, вы можаце сабе ўявіць, размясціўшыся да 10 ^ -27 метраў, дзе вы страціце 6,67 × 10 × джоуляў, альбо каля 35% ад першапачатковай энергіі!
Святло і рабізна ў прасторы; калі святло праходзіць праз не плоскую прастору, яно змяняецца тым, як назіральнік у любым іншым месцы ўспрымае праходжанне часу для святла. Крэдыт на малюнак: Еўрапейская гравітацыйная абсерваторыя, Lionel BRET / EUROLIOS.

Вядома, наша Сусвет падпарадкоўваецца агульнай адноснасці на гэтых маштабах, а не ньютанаўскай гравітацыі, але малюнак той самы. Справа не ў тым, што чорныя дзіркі губляюць масу; Справа ў тым, што агульная колькасць энергіі ў прасторы-часе пераўтвараецца з адной формы - у дзве добра аддзеленыя, не злучаныя масы - у іншую форму: адзіную, шчыльна звязаную масу плюс гравітацыйнае выпраменьванне. Арбітальныя ўласцівасці і масы першапачатковых чорных дзірак вызначаюць, які працэнт ад агульнай першапачатковай масы становіцца энергіяй звязвання, але ва ўсіх выпадках заўсёды дакладна, што канчатковая маса большая за любую з першапачатковых мас, але меншая, чым камбінаваныя сырыя масы. 5% - гэта колькасць, якое выпраменьваецца ў максімальным выпадку, калі абедзве масы прыблізна роўныя. Калі ў іх было неверагоднае колькасць энергіі ў спінах і іх спіны былі выраўнаваны, то гэты адсотак можа ўзрастаць амаль да 11%. Але калі адна з мас значна большая за іншую, адсотак падае; чорная дзірка 1 сонечнай масы, якая зліваецца з 1000000 сонечнай масы, можа выпраменьваць толькі 0,0001% сваёй энергіі.

Уражанне мастака пра дзве зоркі, якія круцяцца паміж сабой і прасоўваюцца (злева направа) да зліцця з вынікаючымі гравітацыйнымі хвалямі. Гэта падазрэнне на паходжанне кароткачасовых выбухаў гама-прамянёў, а таксама крыніца гравітацыйных хваль. Малюнак: NASA / CXC / GSFC / T.Strohmayer.

Унутранае і зліццё не прыводзіць да таго, што ўнутры чорнай дзіркі нічога не вылазіць, а, хутчэй, у дэфармацыю прасторы і часу, улічваючы гравітацыйную патэнцыяльную энергію, калі дзве масы зліваюцца і зліваюцца. Фаза звонку - якая адбываецца ў канцы зліцця - уяўляе сабой гарызонт падзей, які вяртаецца да сваёй максімальна эфектыўнай формы: альбо сферы, альбо сферы. Гэта самая апошняя доля секунды зліцця, дзе вылучаецца больш за ўсё энергіі, але часцінкі знутры чорнай дзіркі не вылазяць. Прагнозы Эйнштэйна вельмі зразумелыя, і менавіта таму нам удалося зрабіць праверкі ў першую чаргу: таму што мы падлічылі, які сігнал шукаць. Наша інтуіцыя можа даставіць нам непрыемнасці, але таму ў нас ёсць раўнанні. Нават калі нашы інстынкты не добрыя, разлікі дадуць нам навуковую праўду.

Дасылайце свае пытанні Ітана да startwithabang на gmail dot com!

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!