De snelheid van een baksteen die in een zwart gat valt

Wanneer ik vanaf grote afstand een baksteen in een niet-roterend zwart gat laat vallen, wat is dan de snelheid van de baksteen op het moment dat die de horizon passeert bezien vanuit mij?
Baksteen valt in een zwart gat
De baksteen nadert de horizon van het zwarte gat
Ik ben diegene die de baksteen laat vallen en ik bevind mij op grote afstand van het zwarte gat. Oftewel, ik ben een verre stationaire waarnemer [Engels: distant observer of Schwarzschild observer of bookkeeping observer of kortweg bookkeeper].

Op deze pagina heb ik de differentiaalvergelijkingen afgeleid van een geodetische lijn rondom een niet-roterende puntmassa. Een baksteen die ik loslaat in de buurt van een zwart gat beweegt onmiskenbaar geodetisch (de baksteen heeft geen aandrijvingsmechanisme, hij is in vrije val). Daarom neem ik wat vergelijkingen over van die pagina, om precies te zijn de vergelijkingen (13), (15) en (21):
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
De vergelijkingen (2) en (3) vul ik in in vergelijking (1):
Vergelijking
De baksteen zal richting het zwarte gat gaan bewegen, dus ik heb het minteken te kiezen (want het middelpunt van het zwarte gat is de oorsprong van mijn coördinatenstelsel):
Vergelijking
Het linkerlid, de breuk dr/dt, is de snelheid van de baksteen voor een waarnemer ‘ergens ver weg’ (in dit geval ben ik dat, de persoon die de baksteen loslaat):
Vergelijking
Ik laat de baksteen in het zwarte gat vallen, dus ik gooi niet in deze of gene richting, er is radiële inval, en daarom is het impulsmoment gelijk aan nul (J = 0):
Vergelijking
Ik laat de baksteen ‘gewoon’ los vanuit een positie ‘ver weg’, dus de beginsnelheid is nul. Oftewel, v = 0 voor r = ∞:
Vergelijking
Hiermee wordt vergelijking (7):
Vergelijking
Dit is de snelheid van de baksteen bezien vanuit een waarnemer op een positie ‘ergens ver weg’. Het is wel interessant om dit resultaat te vergelijken met een klassieke berekening. Klassiek (newtoniaans) is het zwaartekrachtveld van een zwart gat:
Vergelijking
De potentiaal op een bepaald punt (op een afstand r) is de integraal hiervan:
Vergelijking
Tijdens het vallen van de baksteen vindt een uitruil plaats tussen potentiële energie en kinetische energie:
Vergelijking
En ik kies om dezelfde reden als voorheen weer het minteken:
Vergelijking
Schwarzschild
Schwarzschild

Ik breng de Schwarzschild-straal even in herinnering, de horizon van een zwart gat:

Vergelijking

Ik ga de vergelijkingen (9) en (13) uitdrukken in Schwarzschild-stralen:
Vergelijking
Vergelijking
Hier ga ik uiteraard een grafiek van maken en ik stel Rs = 1 (horizontaal staat dan de afstand tot het centrum van het zwarte gat uitgezet in Schwarzschild-stralen) en c = 1 (dit betekent dat verticaal de snelheid staat uitgezet als fractie van de lichtsnelheid). Ik zet de negatieve snelheid uit zodat alles netjes boven de horizontale as ligt.
Grafiek
De grafiek van −v (r), klassiek (de rode lijn) en relativistisch (de groene lijn)
De vorige grafiek begon bij 40 Schwarzschild-stralen vanaf de horizon en ik zoom even in vanaf 10 Schwarzschild-stralen vanaf de horizon.
Grafiek
De grafiek van −v (r), klassiek (de rode lijn) en relativistisch (de groene lijn)
Klassiek bezien heeft de baksteen de lichtsnelheid op het moment dat die de horizon passeert, terwijl relativistisch bezien de baksteen tot stilstand komt bij de horizon. Voor alle duidelijkheid: dit is allemaal voor een waarnemer op grote afstand van het zwarte gat.

We zien ook dat de relativistische snelheid, de groene lijn, een maximum vertoont. Ik ga uitrekenen waar dit maximum ligt en daarvoor ga ik vergelijking (15) differentiëren naar r:
Vergelijking
Vervolgens ga ik dit gelijk aan nul stellen:
Vergelijking
We zijn uiteraard geïnteresseerd in de rechteroplossing en daarbij hoort de volgende snelheid:
Vergelijking
De baksteen bereikt een maximale snelheid op twee Schwarzschild-stralen van de horizon en heeft dan een snelheid die bijna veertig procent van de lichtsnelheid is.

Zwart gat
Deze tabel geldt voor een
niet-roterend zwart gat
Kabouter
Voor een
verre stationaire
waarnemer
Kabouter
Voor een
nabije stationaire
waarnemer
Kabouter
Voor een
meebewegende
waarnemer
De invaltijd van een baksteen
die in een zwart gat valt
Toon
uitwerking
Toon
uitwerking
Toon
uitwerking
De snelheid van een baksteen
die in een zwart gat valt
Toon
uitwerking

(= deze pagina)
Toon
uitwerking
Toon
uitwerking
De versnelling van een baksteen
die in een zwart gat valt
Toon
uitwerking
Toon
uitwerking
Toon
uitwerking