¿Cómo la fusión de los agujeros negros convierte la masa en ondas de gravedad en propagación?

Cualquier aceleración extrema no simétrica de la masa producirá ondas de gravedad. La ciencia de la investigación LSC. La masa afecta el espacio-tiempo. Si una gran cantidad de masa tiene poca aceleración, el efecto sobre la geometría del espacio-tiempo es constante y no se producen ondas de gravedad significativas. Con la fusión de dos agujeros negros, tienes dos objetos muy masivos que experimentan aceleraciones grandes y que cambian rápidamente, y esto significa que sus efectos en el espacio-tiempo están cambiando rápidamente. Los rápidos cambios en el espacio-tiempo se propagan desde la fuente como ondas en el espacio.

Considere que las masas originales de los dos agujeros negros promediaron más de 30 masas solares y que los dos tenían una velocidad relativa de poco más de la mitad de la velocidad de la luz justo antes de fusionarse. Eso sugiere que los cambios en el espacio-tiempo cerca del final tuvieron que ser increíblemente grandes, y eso explica la gran cantidad de energía irradiada por las ondas de gravedad.

La palabra importante en la pregunta es “Cómo”. Le hice la misma pregunta ayer a nuestro orador del Coloquio de Caltech (LIGO), y él respondió que la fusión de los agujeros negros giratorios es puramente clásica. En particular, que el balance de energía va más o menos como

m1 cc + m2 cc = m12 cc + energía de ondas gravitacionales,

donde m1 y m2 son las masas de los agujeros negros giratorios, donde m12 es la masa del agujero negro final fusionado, y donde c es la velocidad de la luz. Estoy ignorando las energías cinéticas y las energías potenciales gravitacionales, pero no creo que incluirlas responda la pregunta. ¡Multa! Acepto la respuesta clásica. Pero para repetir la pregunta, ¿cómo desaparecieron exactamente las 3 masas solares? Por ejemplo, el sol pierde masa debido a las reacciones nucleares, que por supuesto alimentan al sol y finalmente conducen a la vida humana. Sin embargo, esas reacciones nucleares se entienden bien desde la perspectiva de la mecánica cuántica: es decir, el Modelo Estándar. Y así queda la pregunta: ¿cómo desaparecieron exactamente las 3 masas solares? ¿Necesita establecer la constante de Planck en cero y afirmar ciegamente que es un efecto puramente clásico? ¿O necesitamos una teoría cuántica de la gravedad para responder la pregunta? Voy a entrar en territorio peligroso, así que me detendré aquí.

Cuando esos dos agujeros negros se fusionaron hace 1.300 millones de años, la colisión que resultó en su fusión liberó la energía equivalente a 3 veces la masa de nuestro sol, convertida completamente en energía. Esa es una cantidad verdaderamente aterradora de energía liberada. Es por eso que podríamos detectarlo a 1.3 MIL MILLONES de años luz de distancia.

Mire esas ondas de gravedad y su fuerza destructiva en el mismo contexto que un Tsunami. Los efectos se sienten a miles de kilómetros de la fuente original y tardan horas en notarse. Escale eso a las distancias aplicables en el Universo y puede ver cómo se puede detectar tanta energía tan lejos en la distancia y el tiempo.

A la parte final de su pregunta, sí. Realmente tiene menos masa. ¿Recuerdas E = Mc ^ 2? Toda esa masa se convierte en energía (si hace el cálculo, 6 × 10 ^ 49 J de ella) que se lleva en las ondas gravitacionales (TAMBIÉN permiten que el sistema pierda el momento angular, razón por la cual pueden fusionarse en todos).

En cuanto a cómo, eso es más complicado. Las enormes masas involucradas giran unas a otras a una distancia de unos pocos kilómetros a una buena fracción de la velocidad de la luz. Estiran el espacio-tiempo a su alrededor, de un lado a otro, creando una onda de manera análoga a la demostración clásica de ondas longitudinales en un resbaladizo (por ejemplo, Departamento de Física y Astronomía).

Tengo entendido que las ondas de gravedad se llevan el momento angular. No es la masa real del agujero negro. Entonces, los agujeros negros tienen una cierta cantidad de momento angular orbitando entre sí. En situaciones normales, felizmente se orbitan entre sí por miles de millones a trillones de años, pero no son objetos típicos. Por lo tanto, a medida que orbitan entre sí, las ondas gravitacionales que producen requieren energía. Esa energía solo está disponible para ser tomada de su momento angular, sus órbitas. A medida que se irradia, sus órbitas se hacen más pequeñas y creo que las ondas de gravedad se vuelven más fuertes, lo que hace que entren en espiral incluso más rápido y finalmente se fusionen.

Los agujeros negros tenían masas de 36 y 29 veces la masa del Sol (masa solar) antes de fusionarse. Después de fusionarse, crearon un solo agujero negro con una masa 62 veces mayor que la del Sol, faltan 3 masas solares. ¡Esa masa no solo desapareció! Se convirtió en energía: la energía de las ondas gravitacionales. Y la cantidad de energía es asombrosa: este evento único liberó tanta energía como lo hace el Sol en 15 billones de años.
Es como tirar una piedra en el agua quieta del estanque y luego parte de la energía cinética de la piedra convertida en ondas de agua.