Astronomie

Warum würde die Verschmelzung von sich drehenden Schwarzen Löchern in der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs dazu führen, dass sie „direkt nach oben“ aus der Scheibe herausschießen?

Warum würde die Verschmelzung von sich drehenden Schwarzen Löchern in der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs dazu führen, dass sie „direkt nach oben“ aus der Scheibe herausschießen?

Ich habe gerade versucht, den neuen New York Times-Artikel Two Black Holes Colliding Not Enough? Make It Three, das auf den neuen Physical Review Letter vom 25. Juni 2020 verweist Graham et al. Kandidat für ein elektromagnetisches Gegenstück zum Gravitationswellenereignis der binären Schwarzen Lochverschmelzung S190521g

Das beschriebene Ereignis ist die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die in die Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie eingebettet waren; d.h. in einem Quasar (grob gesagt).

Der NYTimes-Artikel beschreibt Folgendes:

In der Geschichte, die Dr. Graham und sein Team zusammengeflickt haben, drehten sich die Schwarzen Löcher, was einen Rückstoß verursachte, der das zusammengeführte Ergebnis fast direkt nach oben und schließlich mit 120 Meilen pro Sekunde aus der Akkretionsscheibe schoss, woraufhin die Fackel aufhörte . Wenn die Erklärung zutrifft, sollte das Schwarze Loch in einigen Monaten oder einem Jahr mit der gleichen Geschwindigkeit in die Akkretionsscheibe zurückfallen und eine weitere Flare erzeugen. „Wir werden danach suchen“, sagte Dr. Graham.

Frage: Warum würde die Verschmelzung von sich drehenden Schwarzen Löchern in der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs dazu führen, dass sie "direkt nach oben" aus der Scheibe herausschießen? Wie wurde der Schwung konserviert, d.h. ist etwas anderes zurückgeprallt und "gerade nach unten geschossen"?


Gravitationswellen tragen den Impuls weg

Von Wikipedia

Rückstoß der Schwarzen-Loch-Fusion Ein unerwartetes Ergebnis kann bei binären Schwarzen Löchern, die verschmelzen, auftreten, da die Gravitationswellen einen Impuls tragen und das verschmelzende Schwarze-Loch-Paar beschleunigt, was scheinbar gegen das dritte Newtonsche Gesetz verstößt. Der Schwerpunkt kann eine Abstoßgeschwindigkeit von über 1000 km/s hinzufügen.[30] Die größten Kick-Geschwindigkeiten (annähernd 5000 km/s) treten für Schwarz-Loch-Binärdateien gleicher Masse und gleicher Spin-Größe auf, wenn die Spin-Richtungen optimal ausgerichtet sind, um gegenläufig, parallel zur Orbitalebene oder nahezu mit der Bahndrehimpuls.[31] Dies reicht aus, um großen Galaxien zu entkommen. Bei wahrscheinlicheren Orientierungen tritt ein geringerer Effekt auf, vielleicht nur einige hundert Kilometer pro Sekunde. Diese Art von Geschwindigkeit wird verschmelzende binäre Schwarze Löcher aus Kugelsternhaufen ausstoßen und so die Bildung massereicher Schwarzer Löcher in Kugelsternhaufen verhindern. Dies verringert wiederum die Wahrscheinlichkeit späterer Verschmelzungen und damit die Chance, Gravitationswellen zu entdecken. Bei nicht rotierenden Schwarzen Löchern tritt bei Massen im Verhältnis fünf zu eins eine maximale Rückstoßgeschwindigkeit von 175 km/s auf. Bei Ausrichtung der Spins in der Orbitalebene ist bei zwei identischen Schwarzen Löchern ein Rückstoß von 5000 km/s möglich.[32]

Die Zitate sind zu

[30] Pietilä, Harris; Heinämäki, Pekka; Mikkola, Seppo; Valtonen, Mauri J. (10. Januar 1996). Anisotrope Gravitationsstrahlung bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern. Relativistische Astrophysik Konferenz. CiteSeerX 10.1.1.51.2616.

[31] Campanelli, Manuela; Lousto, Carlos; Zlochower, Yosef; Merritt, David (7. Juni 2007). "Maximaler Gravitationsrückstoß". Physische Überprüfungsbriefe. 98 (23): 231102. arXiv:gr-qc/0702133. Bibcode:2007PhRvL… 98w1102C. doi:10.1103/PhysRevLett.98.231102. PMID 17677894.

[32] Lousto, Carlos; Zlochower, Josef (2011). „Hangup Kicks: Noch größere Rückstöße durch partielle Spin-Orbit-Ausrichtung von Schwarzen-Hole-Binärdateien“. Physische Überprüfungsbriefe. 107 (23): 231102. ArXiv: 1108.2009. Bibcode:2011PhRvL.107w1102L. doi:10.1103/PhysRevLett.107.231102. PMID 22182078.


Mal sehen, ob ich versuchen kann, beide Teile deiner Frage zu beantworten. Der Schlüssel ist eine Kombination aus zwei Dingen: 1) Die meisten binären BHs in einer Akkretionsscheibe haben ihre binären Umlaufbahnen in derselben Ebene wie die Akkretionsscheibe, so dass "senkrecht zur Binärebene" = "senkrecht zur Akkretionsscheibe" "; 2) Die effektivste Form des binären Rückstoßes – bei der, wie Steve Linton bemerkte, überschüssiger linearer Impuls von Gravitationswellen (GWs) weggetragen wird – bewirkt, dass der verschmolzene Überrest in eine Richtung senkrecht zur binären Orbitalebene geschleudert wird.

Für den ersten Teil wird angenommen, dass die Kombination aus einer gasförmigen Akkretionsscheibe und kompakten, massereichen Objekten, die innerhalb der Scheibe kreisen (Sterne, Weiße Zwerge, Neutronensterne, Schwarze Löcher), die Bildung von binären Objekten (einschließlich binärer schwarzer Löcher) beschleunigt -- aber nur für Objekte, die in der Ebene der Akkretionsscheibe kreisen. Da solche Objekte in derselben Ebene um das zentrale SMBH kreisen, kreisen sie im Allgemeinen, wenn zwei solche Objekte ein Binärsystem bilden gegenseitig in dem gleich Flugzeug. Sie sollten sich also eine Population von Binärdateien innerhalb dieser Scheibe vorstellen, meist mit ihren eigenen Orbitalebenen, die mit der Ebene der Akkretionsscheibe ausgerichtet sind. (Beachten Sie, dass es keinen Grund gibt, dies zu erwarten dreht sich der einzelnen BHs aufeinander abzustimmen, was später wichtig sein wird.)

Betrachten wir nun den gravitativen Rückstoßeffekt. Das einfachste Szenario – eines, das hier eigentlich nicht relevant ist! -- für Binär-BH-Fusion beinhaltet zwei nicht drehend BHs. Bei gleicher Masse ist alles symmetrisch und man bekommt keinen "Kick". Wenn sie sind ungleich in Masse, dann hat die masseärmere BH eine höhere Bahngeschwindigkeit und wird (aufgrund der relativistischen Strahlführung) in ihrer Bahnrichtung effektiver Impuls in Form von GWs abgeben als dies für die massivere BH der Fall ist. Das gesamte System gibt also einen Überschuss an (linearem) Impuls in eine Richtung ab, und das Binärsystem federt zurück, um den Impuls zu erhalten. Es würde keinen Nettoeffekt geben, wenn die Umlaufbahnen kreisförmig und unveränderlich wären (weil dann der "Jet" des überschüssigen Impulses in den GWs einfach durchstreichen würde $360^{circ}$ als die BHs einander umkreisten); aber weil die Bahnen sind verfallend Aufgrund der Emission von GWs erhalten Sie am Ende eine asymmetrische Netto-Impulsemission in den GWs, die durch einen Rückstoß des verschmelzenden Binärsystems ausgeglichen wird. Aber dies liegt in der Ebene des Binärsystems, daher würde es nicht den senkrechten Kick erzeugen, an dem wir interessiert sind. (Siehe diesen Astrobites-Artikel für ein schönes Bild aus diesem Artikel.)

Obwohl der Rückstoß bei sich nicht drehenden BHs seit einiger Zeit theoretisch untersucht wurde, zeigten neuere Simulationen (ab ca. 2007), dass wenn die BHs Spinnen (wie fast alle Schwarzen Löcher mit ziemlicher Sicherheit) und ihre Spins falsch ausgerichtet waren, dann gab es einen zusätzlichen, viel stärkeren Rückstoßeffekt - einen "Superkick". Der Schlüssel ist das diese Rückstoßeffekt bewirkt, dass die zusammengeführte Binärdatei in eine Richtung geworfen wird senkrecht zur Bahnebene des Binärsystems (Siehe diesen Astrobites-Artikel für eine Diskussion, obwohl er nicht wirklich eine schöne, einfache Erklärung der zugrunde liegenden Ursache bietet). Da, wie oben erwähnt, die Umlaufebene des Binärsystems im Allgemeinen mit der Ebene der Akkretionsscheibe ausgerichtet ist, ist das Endergebnis, dass der Fusionsrest ungefähr senkrecht zur Akkretionsscheibe gestoßen wird.


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