Мы все слышали новости об обнаружении гравитационными волнами двух черных дыр, одна массой 29 солнечных, а другая 36 солнечных масс, которые скручиваются друг в друга, образуя единую черную дыру массой 62 солнечных.
Для меня самым удивительным аспектом этого является потеря трех масс Солнца в гравитационные волны за долю секунды. Я могу понять, как волны были созданы (и масса превратилась в передаваемую энергию) спиралевидным движением черных дыр, когда они сделали свое последнее действие , и ясно, что потеря этой энергии была необходимой частью их объединения; в противном случае они бы вращались вечно.
Однако зависит ли количество потерянной массы от того, как слились две дыры? Например, если бы они столкнулись друг с другом лоб в лоб, потеряли бы они каким-то образом такое количество энергии? Я ожидаю, что на вращение образовавшейся черной дыры было бы отведено меньше энергии, но я не знаю, как это изменило бы результирующую массу.
Да. Количество энергии, излучаемой в виде гравитационных волн, будет зависеть от деталей двух черных дыр перед слиянием. Ответы на такие вопросы, как:
повлияет на энергию гравитационных волн. Наиболее важной деталью с точки зрения излучаемой энергии является отношение масс двух черных дыр-предшественников.
Конечная масса системы всегда меньше первоначальной общей массы ( ), так как часть энергии массы преобразуется в гравитационные волны, .
Из-за чего-то похожего на второй закон термодинамики последняя черная дыра должна быть больше, чем самая большая исходная черная дыра. По сути, вы не можете излучать столько энергии в гравитационных волнах, чтобы черная дыра сжималась.
Мы можем определить долю излучаемой массы как:
Это иногда называют эффективностью излучения.
Если черные дыры имеют примерно одинаковую массу (как при обнаружении LIGO), излучается около 5% от общей массы. Это самая эффективная возможность.
С другой стороны, представьте себе случай, когда одна черная дыра намного массивнее другой: может быть, 1 миллион солнечных масс и 1 солнечная масса. Чтобы следовать двум вышеизложенным правилам, меньше 1 миллиона и одной массы Солнца и больше 1 миллиона масс Солнца. В этом случае эффективность будет примерно или 0,0001%. Экстремальные соотношения масс создают самые слабые гравитационные волны.
Короче говоря, да. Любош Мотл написал в своем блоге очень хорошую статью , объясняющую все, что нужно знать о гравитационных волнах. Я хочу сосредоточиться на одной из упомянутых им частей — «квазинормальных модах». Квазинормальные режимы объясняют, как черная дыра переходит в окончательную, стабильную конфигурацию, и это очень сильно зависит от состояний черной дыры, т. е. импульса, массы и т. д. Эти КНМ являются описанием того, что называется «кольцо вниз», которое мы все видели в данные, т.е. вызов решения Керра. Во время звонка все еще излучаются гравитационные волны, которые можно обнаружить с помощью LIGO. Итак, если механизм звонка другой, то и создаваемые гравитационные волны, безусловно, будут другими.
Мне жаль, что я не могу дать вам более подробную информацию о расчетах, так как это очень численно и сложно, и у меня их нет под рукой.
Майк