重力波

Question

ブラックホール同士が衝突すると、数％体積が小さくなるらしい。
小さくなるのは重力波が逃げるという事らしいのですが、
体積が小さくなるのであれば、光さえ逃げられないブラックホールから重力波が出れるのだろうか。
また、科学者はブラックホールの衝突が発生した時に体積が小さくなるのはなんで分かるのだろうか。
光さえ逃げられないブラックホールだから衝突したら、合体し、単純にプラスになるだけだと思っていた。仮に爆発したとしても光が出ないのであれば、それは合体ととらえるのだろうか。

kothimaro · Accepted Answer

重力波干渉計で、重力波を観測出来るのかを記させて頂きます。

重力により引き合う粒子であるクォークとレプトンは、自転することで重力波を生じます。

自転は、遠心力が常に掛るので加速度運動です。直線の加速度運動で常にGが掛るのと同じです。

2つのブラックホールも元々重力波を発生しており、また合体した後のブラックホールも重力波を発生します。

しかし、合体直前、2つのブラックホールが光速に近い速度まで加速した際に放出された重力波は膨大なものです。太陽の約3倍の質量が、その瞬間重力波として放出されたと考えられています。

ですから、2つのブラックホールの重力波(小)→合体直前の重力波(大)→合体後の重力波(小)と今回観測されたのです。

物質である地球自体が、重力による潮汐力により水平方向に伸びます。ですから、当然２本のレーザー光は同時には戻りません。

2本のレーザー光は同時には戻りませんでした。そういう結果が出ただけです。

しかし、重力による潮汐力により水平方向に地球が伸びるので、当然2本のレーザー光は同時には戻りません。

ですから、重力は重力波によるのか重力子(グラビトン)によるのか、結論は出ていないと思います。

ブラックホールの合体により、太陽の約3倍の質量が重力となり放出されたとされています。
その重力が地球に届き、今回観測されたのです。

地球のブラックホール側と反対側とでは、重力源までの距離が異なるので、重力の強さが違うのです。そのため、地球のブラックホール側が反対側よりも強く引っ張られ、地球は伸びるのです。

当然、装置の水平方向も伸びます。その為に、2本のレーザー光は同時には戻らなくて当然です。

「重力波は本当に観測されたのか」について、ホームページに纏めました。是非ご参照下さい。
http://catbirdtt.web.fc2.com/zyuuryokuhahakannsokusaretanoka.html

s_hyama · Answer

>質量の変化があったとしても、体積が減りそうにないです。

Q. ブラックホールは高い密度の天体ということですが、密度を計算するには質量のほかに体積が必要です。ブラックホールの体積とは何を指すのですか？ブラックホールに裏表はあるのでしょうか？
A. ブラックホールの体積としては、ブラックホールの周りの空間で光も抜け出ることのできない領域を指します。この領域の大きさはブラックホールの質量によって決まります。ブラックホールに裏表はありませんが、回転することが出来るので、回転する軸の方向という「向き」を持っています。
http://cafe.tohoku.ac.jp/cafe/basic-science/170929.html

太陽質量の36倍と29倍のブラックホール同士が合体し、62倍のブラックホールが誕生。その際に重力波を放出したことが分かったのである。https://kusanomido.com/study/fushigi/space/26370/

お互いの共通重心を回転する時に、質量エネルギー→運動エネルギーになると前の回答で書いたのだけど、
これは自由落下なので総エネルギーが変化しないけど、運動により体積は収縮してると考えるの
合体したときに（質量エネルギー＋運動エネルギー）→（質量エネルギー＋重力エネルギー）
全部が重力波になるかどうかはわからないけど、一般相対論の場合は質量が減るということは、体積が減ることだよ

ちゃんとした説明がないのは、運動により慣性質量が変化することを古典のままだからだよ。

実はうまくいかない理由はある程度わかっています。これは質量を持つ物体の「大きさ」が一般相対論と量子力学で反対の振舞いをすることに関係しています。一般相対論によるとブラックホールの大きさは質量に比例します。一方，量子力学によると物体は波のように振舞い，その波長はその物体の質量に反比例します。つまり，物体の大きさの目安となる長さは，重力では質量に比例し，量子論では質量に反比例する，という具合に完全に反対になっていて，これが重力と量子論を一緒に考えることが難しい原因なのです。https://www.shinshu-u.ac.jp/faculty/science/quest/research/---1.php

ここの回答者は回答が知ったかぶりだから、気を付けてね

masa2211 · Answer

＞ブラックホール同士が衝突すると、数％体積が小さくなる
それ、どこのソースですか？
数％「質量」が小さくなる　なら、そこら中にソースあるんだけど。。。。

NO.4回答
＞天体の質量を M、光速度を c、万有引力定数を G とすると、そのシュワルツシルト半径 rg は、
＞rg＝２GM/ｒ
ｒとは何を意味しますか？　書いていないのだけど。
　※通常、ｒのところにc^2  (c:光速)が入る。ｒって、何かの半径と考えるのが普通。
　※※なのだけど、NO.4回答者は、独自理論をもとに回答していることが時々あるので、未定義パラメータは要注意。

で、ブラックホールの体積とは、シュワルツシルト半径の内側の体積とします。それ以外に考えようがないので。
同じ大きさのブラックホールが合体したとします。
で、質量の変化が無いとします。
とすると、合体前のブラックホール半径をRとすると、合体後の半径は2Rなので体積は4倍。（半径の3乗だから。）
質量の変化があったとしても、体積が減りそうにないです。

＞ブラックホールの衝突が発生した時に体積（質量？）が小さくなるのはなんで分かるのだろうか。
質量ならば、周辺天体の動き、なのだけど、まあ時間がかかります。よって、重力波から計算で求めた値と思う。
体積ならば、シュワルツシルト半径の式以外、確立してないと思う。（体積が減った観測結果は無いと思う。）

No.3回答コメント
＞2つ目のＵＲＬを確認した所、
＞重力波とは関係がない記事にいくのですが？
そのことですが、wikipediaのページを直接貼るとこんな感じ。(このページは、今回の話題とは別。)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E9%80%9F
検索キーワードが漢字(＋かな）の場合、文字コードが表示されます。
よって、検索キーワードを示すため、％以降を検索文字列（日本語表記）変更して書いている場合があります。
こういう場合、wikipediaを立ち上げ、検索文字列を入力するんだけど....
こっちのほうが親切、だと、私は思うが.......

s_hyama · Answer

もう少し、わかりやすくニュートン力学との違いを説明すると、

天体の質量を M、光速度を c、万有引力定数を G とすると、そのシュワルツシルト半径 rg は、
rg＝２GM/ｒ　・・・(1)
質量 M、半径 r の天体表面からの脱出速度 vesc を考えると、エネルギー保存則により 
(1/2)mi・v^2＝GMmg・/r　・・・(2)
https://ja.wikipedia.org/wiki/シュワルツシルト半径

この半径において光も抜け出せないブラックホールとかいうんだけど、
γ＝mi/mg＝１、はお互いが静止してるときだけで、

一般相対性理論によると重力の作用は厳密には逆2乗とはならない。例えばシュヴァルツシルト解では距離の逆4乗に比例した付加的な引力が働く。この効果により近点移動が起きる。https://ja.wikipedia.org/wiki/近点移動

運動してる時は、γ＝mi/mg＞1、それを(2)式に当てはめて、mを除去すると
v^2＝2GM/(γr)

だからブラックホール同士の合体時も相対論的速度になってるので、(1)の静止状態の光も抜け出せないMax重力ではないので、

合体の直前に、ふたつの天体の移動速度は極限まで大きくなり、合体の瞬間に相当量の質量が重力エネルギーに変換され、そして重力波となって宇宙に放たれる[26]。
https://ja.wikipedia.org/wiki/重力波の初検出

s_hyama · Answer

ほんと、回答がひどすぎるなあ

合体するまえに、月と地球が共有重心を回るように、自由落下(質量エネルギー→運動エネルギー）に変えながら合体する際に
その運動エネルギーが重力波として放出する。

もう１つの巨大ブラックホールがあたかも太陽系 と同じような公転運動をしていると考えられます （図５）。このような２つの巨大ブラックホールが 重力的相互作用しながら回転する現象を観測した 事例は今までになく、我々が世界で最初に検出し たことになります。 https://www.nao.ac.jp/contents/naoj-news/data/nao_news_0122.pdf

合体の直前に、ふたつの天体の移動速度は極限まで大きくなり、合体の瞬間に相当量の質量が重力エネルギーに変換され、そして重力波となって宇宙に放たれる[26]。
https://ja.wikipedia.org/wiki/重力波の初検出

head1192 · Answer

「場」が振動するのである。
物質とかエネルギーとかではない。
場は光速の制約を受けない。

たとえば宇宙膨張である。
宇宙膨張のスピードは観測者との距離にほぼ比例する。（時代による遅速はある）
いずれ膨張のスピードは光速を超え、その向こうにあるものも光速を超えて観測者から離れていく、
このため、光といえども観測者に届くことはない。
これが宇宙の観測限界である。
物質やエネルギー自体は光速を超えられない。
しかしこの場合物質やエネルギーは移動していない。
時空という場の一点に張り付いて、その場の膨張に合わせて観測者からの距離を変えているだけである。
だから光速の制約を受けない場が光速を超えて変化すれば、それに張り付いている物質なども光速を超えて変化していくのである。

現代科学は、観測限界の向こうにさらに広大な宇宙が広がっていると予測している。
さらに現在の加速膨張が続けば光速の向こうに消えていく領域が増えてゆき、数十億年後に観測される宇宙は現在の局所銀河群くらいの範囲になるとみられている。

たとえばブラックホールである。
ブラックホールには「事象の地平線」という、見かけ上の境界がある。
この境界の内側では時空が光速以上で特異点に向かって落ち込んでいく。
光は光速で移動しているが、その移動の場自体が特異点に落ちて行ってしまうのである。
いわばナイアガラの滝を登ろうとするようなもので、どんなに頑張って泳いでも水の流れに引きずられて落ちていってしまうのである。

なおブラックホールの内外の場は分断されているわけではない。
光速の制約を受けないのだから、場には事象の地平線もない。
当然ブラックホールの中で起こった場の変化はブラックホールの外の場にも伝播する。

最後に、分かるのではない。
直接観測もまだ成功したばかりである。
いろいろなデータを演繹ないし帰納しているだけである。
「こういう結果を得たなら、こういうことが起こっていなければならない。」
あの有名な相対性理論さえ「なんでそうなるのか」は未だ誰も分からない。
「宇宙のふるまいを合理的に説明できるし観測事実をそれを支持している」
から多くの学者に認められているにすぎない。
科学というのはこういうものである。
そしてこういうものであっても高い精度で事象を説明できるくらい結果を制約できる、それが知の蓄積である。

けこい · Answer

先ず、ブラックホールの「体積」につき調べてみましょう
基本的にブラックホールは点です
体積がない
重くても軽くても点は点
従ってブラックホールの体積とは通常シュバルツシルトの半径の事を言います
この半径は質量で決まります

とか
書き始めると大論文になってしまうのでパス
例えば質量のないフェルミオンを想定します
ブラックホールは重力の怪物
でも質量がない連中にとっては怖くもなんともない筈
「関係ないね」
で
済む？
その辺がヒントでしょうか

重力波

重力波干渉計で、重力波を観測出来るのかを記させて頂きます。

>質量の変化があったとしても、体積が減りそうにないです。

＞ブラックホール同士が衝突すると、数％体積が小さくなる

もう少し、わかりやすくニュートン力学との違いを説明すると、

ほんと、回答がひどすぎるなあ

「場」が振動するのである。

先ず、ブラックホールの「体積」につき調べてみましょう

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