Fusión de agujeros negros binarios vista desde el interior del horizonte de eventos

¿Cómo evolucionó la métrica dentro de los horizontes de eventos de los agujeros negros cuya fusión provocó la señal GW150914 ?

En principio, la métrica de Schwarzschild de un agujero negro que no gira se conoce dentro del horizonte de sucesos, aunque la solución análoga de Kerr para agujeros negros giratorios parece tener propiedades no físicas en esta región. ¿Es posible al menos simular la dinámica de la métrica dentro del horizonte de eventos durante una fusión de agujeros negros y obtener una respuesta significativa? Si es así, ¿qué sucede y qué vería un observador dentro del horizonte de eventos? ¿Si no, porque no?

La inspiración principal para la pregunta es mi intuición semi-newtoniana de que una vez que los horizontes de sucesos se fusionen, las dos singularidades se orbitarán rápidamente entre sí dentro del horizonte de sucesos y, finalmente, chocarán entre sí debido a la emisión de ondas gravitacionales (que, por supuesto, deben permanecer atrapado dentro del horizonte de sucesos). Dudo mucho que esta intuición sea correcta. ¿Puede la relatividad general darnos una mejor respuesta?

No me gustan mucho las respuestas existentes que dicen "no podemos decir nada". Hay simulaciones numéricas de GR de la inspiración y el anillo, que presumiblemente involucran las regiones del espacio-tiempo dentro de los horizontes de eventos. (De lo contrario, una respuesta a esta pregunta sería "las simulaciones existentes en realidad se detienen en el horizonte de eventos".) La pregunta pregunta explícitamente qué sucede en esas regiones (al menos, en las simulaciones existentes), por lo que no hay razón por qué no debería haber una respuesta.
@EmilioPisanty Estoy de acuerdo, tampoco estoy satisfecho con las respuestas actuales. Sin embargo, espero que las simulaciones que hemos visto realmente se detengan en el horizonte de eventos. No puedo ver por qué tendrían que incluir los interiores de los agujeros negros, ya que están causalmente desconectados de la región del espacio-tiempo de interés. Pero siento que el interior debería verse afectado por el exterior (por ejemplo, las cosas pueden caer), por lo que parece ser una pregunta bien planteada.
Una vez que los horizontes se fusionan, no sale más información que la que ya se podía ver en las formas de los horizontes y el espacio-tiempo circundante . Dicho esto, @Emilio tiene razón en que las simulaciones van dentro del horizonte (aparente, porque uno no puede calcular los horizontes reales sin conocer el espacio-tiempo completo). No llegan hasta la singularidad, pero sí van un poco hacia adentro. De esta manera, uno no tiene que preocuparse por qué condiciones de contorno numérico imponer en el dominio.
Gracias @ChrisWhite, esto es lo más cerca que tengo hasta ahora de una respuesta. Dado que aparentemente la métrica se puede simular un poco dentro de los horizontes, presumiblemente también se puede simular mucho más adentro (manteniéndose alejado de la singularidad, por supuesto)? ¿Qué se puede decir cualitativamente acerca de lo que hace la métrica dentro de los horizontes durante la fusión, por ejemplo, el punto en que los horizontes se tocan y se unen?
La desconexión causal es cierta, pero esperaría que las simulaciones tuvieran problemas para encontrar el límite, ya que allí no sucede mucho a nivel local; en su mayoría se siente como una condición de límite irregular que sería difícil de manejar numéricamente. Sin embargo, hace una pregunta separada interesante .
@ChrisWhite ¿Podemos tentarlo a probar este ?
Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/…
Si las singularidades se orbitan entre sí, presumiblemente se obtiene un agujero negro giratorio. Aquí, mi intuición es que las singularidades no chocan entre sí, sino que permanecen separadas; esta podría ser la razón por la cual los agujeros negros de Kerr no son físicos. Si las ondas gravitacionales permanecen dentro del horizonte (que es lo que deben hacer), eventualmente perturbarán las singularidades en órbita, que podrían no ser capaces de arrojar suficiente energía para chocar entre sí. Pero esto es intuición uniformada; Sería muy bueno ver algunas simulaciones.

Respuestas (4)

Puede que esto no sea literalmente lo que está buscando, pero todo lo que vemos o escuchamos proviene de eventos antes de que se forme el horizonte. Y las ondas gravitacionales también se emiten antes de que se forme el horizonte.

Lo que significa que hay eventos en esas estrellas y entre esas estrellas que ocurren después de que se emiten las ondas que hemos visto. Todo el centro de la estrella lo llamamos el primer agujero negro, y todo el centro de la estrella lo llamamos el segundo agujero negro y en cualquier parte del espacio intermedio.

Así que sabemos cómo se ve eso. Y podemos resolverlo. Y ves las dos estrellas orbitando entre sí. Sin singularidades. Sin horizontes de eventos. Solo señales dilatadas en el tiempo que salen hacia nosotros.

Entonces está "adentro" en el sentido de que no hay agujeros ni partes faltantes. Es solo que los eventos previos al horizonte están muy dilatados en el tiempo, por lo que un poco de ellos cubre gran parte de nuestro tiempo. Y al menos esas son las partes más científicas.

Estaba pensando en esta pregunta en particular, y creo que se me ocurrió una respuesta que probablemente no te gustará: no importa. Desafortunadamente para nosotros (¿o afortunadamente?), todo lo que sucede dentro de un horizonte de eventos es completamente desconocido para el exterior. Si bien podemos tener una imagen de la métrica dentro del horizonte de eventos a cierta distancia, deberíamos esperar que la aproximación clásica se rompa a medida que avanzamos. El hecho de que haya una singularidad en el centro del agujero negro en GR no indica que haya una región de densidad infinita, sino que GR en su conjunto se descompone en esa escala.

Además, tenga en cuenta que las ondas gravitacionales emitidas en la fusión reciente que detectamos no se emiten desde el interior del horizonte de eventos, sino desde fuera del horizonte; de ​​lo contrario, no escaparían, como mencionó.

Sin embargo, un artículo que leí describía la forma de la esfera de fotones de la fusión de agujeros negros (cargados al máximo), que tiene una solución analítica. Esperaría (pero no he hecho el cálculo, así que no estoy muy seguro) que el horizonte de eventos tome una forma similar a la de la esfera de fotones (pero más pequeña) durante el evento de fusión real. Una vez que el horizonte de eventos se convierte en el de una esfera, lo que sucede en el interior ya no es relevante: todo lo que está fuera del horizonte de eventos no puede diferenciar entre un agujero negro con dos singularidades o un agujero negro con una singularidad, por lo que para todos los efectos , podemos considerar que tiene una sola singularidad.

Sin embargo, una pregunta que posiblemente valga la pena investigar es cómo se combinan exactamente los horizontes de eventos y la dinámica allí: ¿qué sucede cuando se superponen o pueden incluso superponerse? Además, una continuación interesante de su pregunta es, si tiene dos agujeros negros (de igual masa) a punto de chocar con el parámetro de impacto cero y coloca una partícula puntual exactamente entre los dos cuerpos, ¿qué le sucede a esa partícula puntual? Claramente, los agujeros negros chocan; sin embargo, desde la perspectiva de un observador distante, la partícula nunca puede pasar el horizonte de eventos de ninguno de los dos agujeros negros. Entonces, ¿se exprime? ¿Repartirse por igual en ambos horizontes? Eso es más a considerar.

Gracias por la respuesta Sam, pero no creo que esto responda completamente la pregunta. Lo que sucede en el interior del horizonte de eventos ciertamente no puede afectar el exterior. Pero estoy preguntando qué les sucede a los observadores dentro del agujero negro. No es cierto que "si bien podemos tener una imagen de la métrica, nunca es observable", porque soy libre de sumergirme en un agujero negro y hacer observaciones por mí mismo. (Dejando de lado el pequeño asunto de mi muerte segura, en principio es posible). Simplemente no esperen que comparta mis resultados científicos con ustedes más tarde :)
Punto justo: ¡tenía miedo de no responder su pregunta en su totalidad! Sin embargo, editaré esa oración, era demasiado amplia. Sin embargo, me gustaría mantener que, a partir de ahora, no podemos saber qué sucede en el "centro" de un agujero negro, incluso en teoría, ¡aunque solo sea porque nuestra teoría falla allí!
Tendría que buscar esto para estar completamente seguro, pero mi intuición es que es relativamente libre y depende en gran medida de la historia reciente de la materia que ha caído en los agujeros negros. Por ejemplo, la métrica de Schwarzschild solo es precisa para los agujeros negros que siempre han existido o, de manera equivalente, para el exterior de un agujero negro esféricamente simétrico. La métrica de Schwarzschild no te dice lo que sucede en el interior de un agujero negro que se formó en un tiempo finito en el pasado.
Un ejemplo más simple, pero ilustrativo, es el caso de la métrica Vaidya, que es una métrica para (en este caso) un polvo nulo que colapsa (como neutrinos sin masa). En este caso, podrías imaginar dos capas de materia colapsando hacia adentro con tu observador entre ellas. El observador estará fuera del horizonte aparente formado por el primer proyectil, pero, después de una pequeña caída, ¡estará dentro del horizonte aparente formado por el segundo mientras todavía está detrás de él! ¡Nada sobre la física cambia para este observador hasta que llega a la singularidad!

Una vista simétrica perfecta sin nuevas extensiones: tras el horizonte, hay una dirección privilegiada. Cada BH cae en el otro. Nada escapa sino las ondas gravitatorias emitidas en relación con la forma.

Desde el punto de vista de cada uno, todo sucede como si hubiera una estrella y un agujero negro.

Fusión de agujeros negros binarios vista desde el interior del horizonte de eventos

En el horizonte de eventos, la velocidad "coordenada" de la luz según los observadores distantes es cero . Entonces, si estuviera viendo la fusión desde dentro del horizonte de eventos, y de alguna manera lo estuviera viendo desde donde estoy sentado a través de mi burbuja de licencia artística, diría que no tiene ninguna vista. Hay un conflicto entre esto y "la velocidad adecuada es c". Vea The Formation and Growth of Black Holes de Kevin Brown y observe la mención del futuro infinito. Por lo que puedo decir, te lleva una eternidad ver algo. Todavía no lo has visto, y nunca lo verás.

¿Cómo evolucionó la métrica dentro de los horizontes de eventos de los agujeros negros cuya fusión provocó la señal GW150914?

No sé. Pero el agujero negro es un agujero negro por una razón, y no es porque el espacio se esté cayendo. Es porque la velocidad "coordenada" de la luz es cero. Lo que sugiere que no hay evolución dentro del horizonte de eventos.

En principio, la métrica de Schwarzschild de un agujero negro que no gira se conoce dentro del horizonte de eventos.

Más bien pensé que la métrica de Schwarzschild solo era válida fuera del horizonte de eventos , según el comentario de Graham Reid.

aunque la solución análoga de Kerr para los agujeros negros en rotación parece tener propiedades no físicas en esta región.

Acordado. Eche un vistazo a los documentos digitales de Einstein , y puede leer esto de 1920: "la curvatura de los rayos de luz ocurre solo en espacios donde la velocidad de la luz es espacialmente variable" . No usó la palabra coordenada, lo que sugiere que en el horizonte de sucesos, la velocidad de la luz es cero. Lo que sugiere que la velocidad de giro también es cero.

¿Es posible al menos simular la dinámica de la métrica dentro del horizonte de eventos durante una fusión de agujeros negros y obtener una respuesta significativa?

Tal vez. Pero mi lectura de los documentos digitales de Einstein es que no hay dinámica. Más bien en contra de la intuición, el fotón descendente se ralentiza . Vea este artículo PhysicsFAQ por el editor Don Koks.

Si es así, ¿qué sucede y qué vería un observador dentro del horizonte de eventos?

Tal vez haya una forma en que podamos tener nuestro pastel y comérnoslo, en el sentido de que la expansión del universo no se limita a la velocidad de la luz. Pero todavía no tengo esperanzas de que ese observador vea algo pronto.

¿Si no, porque no?

Porque la luz no se apaga. Porque la dilatación del tiempo gravitacional es infinita. Porque la velocidad coordinada de la luz es cero.

La inspiración principal para la pregunta es mi intuición semi-newtoniana de que una vez que los horizontes de sucesos se fusionen, las dos singularidades se orbitarán rápidamente entre sí dentro del horizonte de sucesos y, finalmente, chocarán entre sí debido a la emisión de ondas gravitacionales (que, por supuesto, deben permanecer atrapado dentro del horizonte de sucesos). Dudo mucho que esta intuición sea correcta. ¿Puede la relatividad general darnos una mejor respuesta?

Creo que sí, pero estoy del lado de la interpretación de la estrella congelada, y actualmente estoy en minoría. Vuelva a ver The Formation and Growth of Black Holes de Kevin Brown :"Dicho sea de paso, tal vez deberíamos calificar nuestro rechazo de la interpretación de la 'estrella congelada', porque (posiblemente) brinda una explicación útil de los fenómenos fuera del horizonte de eventos, al menos para una configuración estática eterna. Históricamente, los dos modelos conceptuales más comunes para relatividad general han sido la "interpretación geométrica" ​​(tal como la concibió originalmente Einstein) y la "interpretación de campo" (modelada según las teorías cuánticas de campo de las otras interacciones fundamentales). Estas dos visiones son operacionalmente equivalentes fuera de los horizontes de sucesos, pero tienden a conducen a diferentes concepciones del límite del colapso gravitatorio. Según la interpretación de campo, un reloj corre cada vez más lento a medida que se acerca al horizonte de sucesos (debido a la fuerza del campo), y el natural "límite" de este proceso es que el reloj se acerca asintóticamente a "parada completa" (es decir, funcionando a una tasa de cero). Continúa existiendo por el resto del tiempo, pero está 'congelado'..."

Lo que dice esta interpretación de estrella congelada es que no hay puntos singulares. Kevin Brown sugiere que Einstein se habría puesto del lado de la otra interpretación más común, pero no creo que lo hiciera. Cuando dejas caer tu lápiz, se cae porque la velocidad de la luz en el suelo es menor que la velocidad de la luz frente a tu cara. Pero cuando estás en el horizonte de sucesos, la velocidad de la luz frente a tu cara es cero. Y no puede ir más bajo que eso .

Fusión de agujeros negros binarios vista desde el interior del horizonte de eventos
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v