Как пинаются эйнштейновские черные дыры?

don_beaver — 07.06.2020 Совсем не так, как ньютоновские! Часто эйнштейновскую теорию воспринимают как ньютоновскую, к которой добавили три известных эффекта, в которых Эйнштейн обычно не противоречил Ньютону, а усиливал его. Но мало кто знает, что существует эффект, в котором Эйнштейн и Ньютон приходят к противоположным выводам. Пусть у нас есть две черные дыры разной массы. Большая черная дыра покоится, а дыру поменьше мы отправим с небольшой скоростью по прямой линии на лобовое соударение с большой дырой. Что будет, когда дыры сблизятся и сольются? Ньютон уверенно скажет, что суммарная черная дыра будет двигаться в том же направлении, куда летела дыра поменьше. Только скорость суммарной дыры будет меньше из-за увеличения массы. Закон сохранения импульса!

В последние годы стали проводить множество численных экспериментов со столкновениями черных дыр. И, как выяснилось, две неодинаковые эйнштейновские черные дыры при слиянии ведут себя парадоксально: суммарная дыра начинает двигаться в направлении, откуда прилетела меньшая дыра! Это называется «Antikick», и он явно нарушает ньютоновскую логику.
Сейчас написано немало работ, в которых делаются попытки физической интерпретации этого «антипинка» - см. например, Rezzolla et al «Understanding the "anti-kick" in the merger of binary black holes”, 2010 (https://arxiv.org/abs/1003.0873). Эти интерпретации сделаны на основе гравитационных волн, анизотропной кривизны и т.д., но как-то они меня мало устраивали: хотелось что-то наглядное и убедительное. И вот чего придумал, хотя и не настаиваю – интерпретации часто вещь посложнее, чем расчеты.

Рассмотрим ситуацию с двумя дырами на языке потенциала GM/R, который их окружает. Это можно воспринимать как резиновую пленку, продавленную тяжелыми шарами. Легко увидеть, что для любых черных дыр, для которых 2GM/Rc^2=1, потенциал имеет одинаковую глубину на границе дыр: (c^2)/2. Таким образом, мы рассматриваем две сближающиеся воронки с одинаковой глубиной, но с разным размером плоского дна. Как известно со времен Эйнштейна, кружка выпадает из ослабевших рук и летит к земле, не потому что её притягивает Земля, а потому что она реагирует на окружающее её пространство, искривленное Землей. Если в какой-то момент Земля исчезнет, то кружка будет продолжать ускоренно падать – пока не получит сигнал об исчезновении Земли. Если перевести это на язык потенциала или воронки вокруг черной дыры, то какое-то тело, которое пытается вырваться из воронки, будет падать назад не из-за дыры, а из-за наклона воронки. Каждая часть черной дыры или любого гравитирующего тело падает в этой воронке, но падать приходится по кругу, что вызывает взаимную компенсацию и суммарный покой дыры или тела. И вот к нашей воронке приближается другая воронка и её потенциал складывается с нашим. Вокруг нашей дыры возникает асимметрия – склон, обращенный к маленькой черной дыре, становится пологим, а обратный склон только усиливается. И тогда большая черная дыра начинает двигаться из-за реакции на собственный потенциал – и начинает двигаться в направлении к меньшей дыре. Та тоже ускоряется по аналогичной причине, только реагируя на свой потенциал с противоположной стороны. А когда две дыры сталкиваются, то оказывается, что большая массивная дыра обладает большим импульсом (который, напоминаю, она набрала от асимметрии собственного потенциала) – и суммарная дыра начинает двигаться в том же направлении, что и большая дыра – или в обратном направлении к движению малой дыры.

Мне кажется это объяснение более наглядным. Конечно, понятно, что закон сохранения импульса выполняется - и это гравитационная волна унесла импульс, разрешив всей системе двигаться совсем не туда, куда думал Ньютон. Но тут важно, что это волна не классического периодического типа, а нечто вроде одинокого склона потенциала, по которому скатилась слившаяся дыра, а сама волна отправилась восвояси. Как я полагаю, именно такой склон потенциала и отвечает за антигравитацию, вызвавшую Большой Взрыв. Ведь если взять такие пары неодинаковых дыр, построить из них сферическую оболочку, а потом разом «подорвать» все дыры, то оболочка из суммарных дыр будет разлетаться во все стороны из-за очевидно отталкивающего потенциала, хотя, как мы знаем из учебников, гравитация «всегда притягивает».

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив