Können Gravitationswellen durch ein Schwarzes Loch gehen?

Was passiert, wenn sich eine Gravitationswelle einem Schwarzen Loch nähert? Ich würde annehmen, dass etwas Interessantes passiert, weil die Raumzeit in der Nähe von Schwarzen Löchern arbeitet, aber ich habe kein Wissen, um es zu sichern.

Nein, Gravitationswellen können kein Schwarzes Loch passieren.

Eine Gravitationswelle folgt einem Weg durch die Raumzeit, der als Null-Geodät bezeichnet wird. Dies ist derselbe Weg, dem ein Lichtstrahl folgen würde, der sich in dieselbe Richtung bewegt, und Gravitationswellen werden von Schwarzen Löchern auf dieselbe Weise beeinflusst wie Lichtstrahlen. So können beispielsweise Gravitationswellen von Gravitationslinsen genauso wie Lichtwellen gebrochen werden. Und genau wie Lichtwellen ist eine Gravitationswelle, die den Ereignishorizont um ein Schwarzes Loch kreuzt, dazu verurteilt, nach innen in die Singularität zu wandern und kann niemals entkommen.

Das hat eine Einschränkung. Wenn wir von einer Gravitationswelle sprechen, meinen wir im Allgemeinen eine relativ kleine Welligkeit in der Raumzeit. Insbesondere ist es klein genug, dass die Energie der Gravitationswelle die Raumzeitkrümmung nicht signifikant beeinflusst. Wenn wir also die Flugbahn einer Gravitationswelle in der Nähe eines Schwarzen Lochs berechnen, nehmen wir die Geometrie des Schwarzen Lochs als fest, dh unbeeinflusst von der Welle, und berechnen die Flugbahn der Welle in diesem festen Hintergrund.

Dies ist genau derselbe Ansatz, den wir zur Berechnung der Flugbahnen von Lichtstrahlen verwenden. Da Lichtstrahlen dann zumindest prinzipiell Energie und Impuls tragen, haben sie ihre eigenen Gravitationsfelder. Aber sowohl für die Lichtstrahlen als auch für die Gravitationswellen, die wahrscheinlich im Universum existieren, ist die getragene Energie zu klein, um einen signifikanten Beitrag zur Raumzeitkrümmung zu leisten.

Wenn Sie in Ihrer Frage sagen:

Ich würde annehmen, dass etwas Interessantes passiert, weil die Raumzeit in der Nähe von Schwarzen Löchern arbeitet

Ich würde vermuten, dass Sie denken, dass die Gravitationswelle die Geometrie in der Nähe eines Schwarzen Lochs verändern könnte, aber wie oben beschrieben, haben typische Gravitationswellen nicht genug Energie, um dies zu tun. Es wäre vernünftig zu fragen, was passiert, wenn wir der Welle genügend Energie geben, aber die Antwort lautet, dass sie sich nicht mehr wie eine einfache Welle verhält.

Gravitationswellen existieren in einem als linearisierte Gravitation bezeichneten Regime, in dem sie einer Wellengleichung gehorchen, die im Grunde der Wellengleichung ähnelt, der Licht gehorcht. Erhöhen wir die Energie so stark, dass die Schwerkraft nicht linear wird (wie dies bei Schwarzen Löchern der Fall ist), dann folgen die Schwingungen in der Raumzeitkrümmung keiner Wellengleichung mehr und müssen durch die vollständigen Einstein-Gleichungen beschrieben werden. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, aber nicht nachgewiesen, dass Gravitationswellen (oder Lichtwellen) mit wirklich hoher Energie miteinander interagieren könnten, um einen gebundenen Zustand zu bilden, der als Geon bezeichnet wird . Ich gebe zu, dass ich nicht sicher bin, wie viel Arbeit mit dem Studium der Oszillationen in diesem Regime geleistet wurde.

Gravitationswellen sollten von massiven Objekten ähnlich wie Licht reflektiert werden.

Lichtstrahlen (und damit Gravitationswellen) von einem entfernten Objekt, die innerhalb des 1,5-fachen Schwarzschild-Radius (für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch) verlaufen, haben Flugbahnen, die dann in Richtung des Ereignishorizonts verlaufen. Wellen auf solchen Bahnen können nicht aus dem Schwarzen Loch entweichen, daher lautet die grundlegende Antwort "Nein". Gravitationswellen können nicht "durch ein Schwarzes Loch gehen".

Weit davon entfernt, eine Quelle von Gravitationswellen zu "verbergen", würde ein dazwischenliegendes Schwarzes Loch das Vorhandensein von linsenförmigen und vergrößerten Bildern verursachen. Für eine perfekte Ausrichtung von Quelle, Schwarzem Loch und Beobachter gäbe es einen intensiven "Einsteinring" mit einem Winkelradius, der von den relativen Abständen der Quelle und des Schwarzen Lochs abhängt.

Natürlich können Gravitationswellen derzeit nicht abgebildet werden, daher würde ein abnormal verstärktes Gravitationswellensignal erkannt werden.

Alles oben Genannte ist in der geometrischen Optik dahingehend begrenzt, dass die Wellenlänge im Vergleich zur Linse klein ist. Wenn das Schwarze Loch klein genug ist (was von seiner Masse abhängt) oder die Wellenlänge der Gravitationswelle groß genug ist, sollte das Verhalten einer ebenen Welle entsprechen, die auf eine kleine undurchsichtige Scheibe trifft ( Takahashi & Nakamura 2003 ).

In diesem Fall würden wir ein Beugungsmuster und möglicherweise einen "hellen" Arago-Fleck in der Mitte erhalten, obwohl mir solche Berechnungen in der Literatur nicht bekannt sind.

Dies ist kein unwahrscheinliches Szenario. Beispielsweise haben die von LIGO detektierten Gravitationswellen relativ hohe Frequenzen von 10-1000 Hz und damit Wellenlängen von 30.000-300 km, die so groß sind wie die Schwarzschild-Radien von 10.000 - 100 Sonnenmassen-Schwarzen Löchern und mit Sicherheit größer als Reste von Schwarzen Löchern der Sternentwicklung.