Dlaczego Ziemia i Księżyc oddalają się, a czarne podwójne dziury zbliżają się?

16

Zgodnie z przyjętą odpowiedzią na pytanie Czy księżyc porusza się dalej od Ziemi i bliżej Słońca? Dlaczego? Księżyc wycofuje się z Ziemi, ponieważ siły pływowe i tarcie powodują utratę energii.

Jednak według stronie Ligo za ,

Gdy obie masy obracają się wokół siebie, ich odległości orbitalne maleją

gdy tracą energię, emitując inspirujące fale grawitacyjne .

Dlaczego ciała odsuwają się w obudowie Ziemia-Księżyc, ale bliżej siebie w obudowie czarnej dziury?

Jeśli obecne są oba przeciwne zjawiska, ale w obu przypadkach inne są silniejsze, co decyduje o losie systemu?

Gnubie
źródło
Być może nieco źle zrozumiałeś odpowiedź na powiązane pytanie. Odpowiedź mówi ci, że siły pływowe i tarcie przenoszą energię z Ziemi (z pędu kątowego z obrotu wokół własnej osi) i przekazują ją na Księżyc (w postaci orbitalnego pędu kątowego). Energia nie jest tracona (prawie zawsze). Po prostu jest konwertowany i transportowany. Fale grawitacyjne zabierają orbitalne momenty pędu z układu podwójnego, co spowoduje, że poruszą się one na węższą orbitę, choć nadal rozsądnie jest zapytać, dlaczego ta sama konwersja Ziemia-Księżyc nie kompensuje / nie stosuje się.
zibadawa timmy
1
@zibadawatimmy powinna być odpowiedzią
Rob Jeffries
1
@RobJeffries W mojej głowie tkwi ta technika, której nie potrafię rozwiązać, co sprawia, że ​​nie chcę twierdzić, że mam odpowiedź: czy pęd obrotowy może być wystarczający z wirującej czarnej dziury i czy można go przekształcić w orbitalny moment pędu (dla druga czarna dziura), w tempie wystarczająco szybkim, aby faktycznie odłączyć system (pomimo fal grawitacyjnych)? Rozumiem, że istnieje skończona ilość pędu obrotowego, więc jeśli system pozostanie związany, fale grawitacyjne wygrywają i zaczyna się inspiracja ... ale czy może się uwolnić? Nie wiem, czy to łatwe, czy trudne pytanie.
zibadawa timmy
1
Rozumiem! Powodem cofania się Księżyca jest to, że obraca się on w tym samym kierunku, w którym obraca się Ziemia, a Ziemia nie jest przypieczętowana księżycem. W systemie Neptune-Triton Triton ma orbitę wsteczną (unikalną wśród dużych księżyców), a zatem zbliża się do Neptuna - z universetoday.com/56042/triton
Gnubie

Odpowiedzi:

14

Oto jak fale odpychają księżyc od Ziemi:

Księżyc krąży wokół Ziemi i istnieje różnica w sile grawitacji między stroną Ziemi najbliższą Księżycowi, a stroną daleko od Księżyca.

Ta różnica w sile przyciąga Ziemię do owalnego kształtu z długą osią skierowaną w stronę Księżyca.

Ale Ziemia również wiruje, a to wirowanie przesuwa oś owalu do przodu, więc owal nie wskazuje na księżyc, ale nieco przed nim. Tak więc na Ziemi jest guz i jest on trochę przed księżycem. Ten guz ma masę i przyciąga do siebie księżyc, więc księżyc jest ciągnięty do przodu. Księżyc przyciąga Ziemię z powrotem. Obrót Ziemi jest spowolniony, ale księżyc zyskuje energię i porusza się nieco dalej od Ziemi.

Księżyc również został spowolniony do tego stopnia, że ​​ta sama strona zawsze jest zwrócona w stronę Ziemi i pozostanie zablokowana w ten sposób.

Z drugiej strony fale grawitacyjne oznaczają emisję energii z układu podwójnego, a gdy energia jest tracona, czarne dziury spiralnie się wkraczają.

Na czarnych dziurach nie ma pływów, ponieważ nie ma nic, co można by wyciągnąć w owalny kształt. Horyzont zdarzeń nie jest jednolitą powierzchnią. Masa czarnej dziury jest całkowicie skoncentrowana na osobliwości, nie ma struktury, która mogłaby zostać zdeformowana w guz.

James K.
źródło
Są czarne fale na czarnych dziurach!
Anixx
3
Czarne dziury mogą wytwarzać fale na innych obiektach (bardzo mocne, rozrywają fale typu), ale czarna dziura nie ma znaczenia, że ​​jest zniekształcona pływowo. Ma masę, ale nie ważne.
James K
11

Spóźniona odpowiedź, ale żadna z istniejących odpowiedzi nie wyjaśnia tego poprawnie.

Właściwe wyjaśnienie jest proste. W mechanice newtonowskiej wpływy pływowe sprawiają, że wszystkie obiekty na orbitach wstecznych i te obiekty na orbitach wstecznych poniżej równoważnika spirali geosynchronicznej o promieniu wewnętrznym. Na zewnątrz jedynie obiekty krążące prograde powyżej ekwiwalentu geosynchronicznego promienia spiralnego. Nasz Księżyc okrąża około 385000 km, znacznie powyżej promienia geosynchronicznego 42164 km. Fobos krąży wokół Marsa o półosiowej osi 9377 km, znacznie poniżej promienia areosynchronicznego 20400 km. Podczas gdy nasz Księżyc porusza się spiralnie na zewnątrz od Ziemi, Fobos porusza się spiralnie do wnętrza Marsa.

Obiekty wzajemnie zablokowane pływowo nie poruszają się spiralnie ani do wewnątrz, ani na zewnątrz w mechanice Newtona. Ogólna teoria względności nieco modyfikuje tę dynamikę, powodując, że wzajemnie zablokowane obiekty pływają spiralnie do wewnątrz.

David Hammen
źródło
7

Według Wikipedii współczynnik recesji Księżyca z Ziemi wynosi 38,04 mm rocznie z powodu sił pływowych. Dobry opis (ze schematami) na temat tego, jak to się dzieje, można znaleźć tutaj .

drdt=645G3c5(m1m2)(m1+m2)r3

Działa to do około 2 nm rocznie lub 7 rzędów wielkości mniejszych. Tak więc, oczekuje się, że nastąpi zarówno recesja pływowa, jak i rozpad orbity przez fale grawitacyjne, ale recesja pływowa jest znacznie większym skutkiem.

użytkownik10789
źródło
Ale czy nie jest to sprzeczne z faktem z OP, że dwie wzajemnie obracające się czarne dziury mają tendencję do zbliżania się?
Astroynamicist
Dokładnie! Dlaczego inspirujące czarne dziury i gwiazdy neutronowe również nie cierpią z powodu sił pływowych?
Gnubie
Wolę tę odpowiedź, ponieważ porównuje ona wielkość każdego efektu zamiast próbować wyjaśnić jeden z nich. Innymi słowy, wszystkie pary orbitujące mają potencjał zarówno sił pływowych, jak i fal grawitacyjnych, ale OP chce wiedzieć, dlaczego na jeden system wpływa jeden efekt na drugi, i robicie to całkiem dobrze tutaj.
Kelly S. French
5

Inne odpowiedzi słusznie wyjaśniają, dlaczego siły pływowe rozsuwają Ziemię i Księżyc od siebie, ale nie rozsuwają pary czarnych dziur. Myślę jednak, że należy również wyjaśnić, dlaczego zjawiska, które powodują, że dwie czarne dziury są spiralne do wewnątrz, nie powodują, że Księżyc jest spiralnie skierowany do Ziemi.

W rzeczywistości każda para mas wirujących promieniuje fale grawitacyjne. Różnica polega na tym, że tylko bardzo duże masy obracające się bardzo blisko siebie wytwarzają fale grawitacyjne wystarczająco duże, aby znacząco wpłynąć na te orbity mas.

Według https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave#Binaries czas, w którym para mas wpada w siebie ze względu na promieniowane fale grawitacyjne, wynosi:

t=5256c5G3r4(m1m2)(m1+m2)

Podłączmy masy Ziemi i Księżyca oraz ich odległość do tego równania (wszystkie dane pobrane z Wikipedii w jednostkach SI):

> G <- 6.674e-11
> r <- 384e6
> mluna <- 7.342e22
> c <- 299792458
> mterra <- 5.97237e24
> (t <- 5/256*c^5/G^3*r^4/(mterra*mluna)/(mterra+mluna))
[1] 1.304925e+33

To znaczy, pozostawione same sobie, promieniowanie fal grawitacyjnych spowodowałoby, że Księżyc uderzyłby w Ziemię w 1,3 * 10 ^ 33 sekund, czyli 4,13 * 10 ^ 25 lat lub 3 * 10 ^ 15 razy w stosunku do obecnego wieku wszechświata. Innymi słowy, efekt promieniowania fal grawitacyjnych w ruchu Ziemi i Księżyca jest tak niewielki - szczególnie w porównaniu z innymi siłami, takimi jak fale pływowe - że nie możemy absolutnie o tym zapomnieć.

Dla porównania dwie gwiazdy neutronowe o masie Słońca krążące wokół siebie w tej samej odległości od Ziemi i Księżyca spadłyby na siebie w:

> msol <- 1.9885e30
> (t <- 5/256*c^5/G^3*r^4/(msol*msol)/(msol+msol))
[1] 2.19985e+14

To około 7 milionów lat, co pokazuje, że zmiana masy ma duży wpływ na wynik. Jak stwierdzono na początku, fale grawitacyjne powodują, że pary obiektów o rozmiarach gwiazdy obracają się spiralnie do wewnątrz, ale nie mają zauważalnego wpływu na satelitę krążącego wokół planety.

Pere
źródło
2
Doskonała odpowiedź z liczbami rzeczywistymi. Chciałbym zaakceptować twoją odpowiedź, jeśli odpowiedziałeś wcześniej!
Gnubie
@Gnubie To Meta FAQ mówi: „Możesz zmienić, która odpowiedź jest akceptowana, lub po prostu ją odrzucić w dowolnym momencie”. :-)
Chappo Says SE Dudded Monica
1
Dziękuję za uznanie, ale myślę, że pytanie to składa się z dwóch pytań. Inne odpowiedzi mają rację, odpowiadając na jedną z nich. Mój odpowiada na drugi. Dlatego przyjęta odpowiedź nie jest zła. To tylko połowa odpowiedzi, a moja druga.
Pere