Astronomía

¿Por qué la fusión de agujeros negros giratorios dentro del disco de acreción de un agujero negro supermasivo haría que "dispararan hacia arriba" fuera del disco?

¿Por qué la fusión de agujeros negros giratorios dentro del disco de acreción de un agujero negro supermasivo haría que

Intenté leer el nuevo artículo del New York Times Two Black Holes Colliding Not Enough? Make It Three, que se vincula con la nueva carta de revisión física del 25 de junio de 2020 Graham et al. Contraparte electromagnética candidata al evento de onda gravitacional de fusión de agujero negro binario S190521g

El evento descrito es la fusión de dos agujeros negros que estaban incrustados en el disco de acreción de un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia; es decir. en un quásar (vagamente hablando).

El artículo de NYTimes describe lo siguiente

En la historia que el Dr. Graham y su equipo remendaron, los agujeros negros estaban girando, lo que provocó un retroceso que disparó el resultado combinado casi hacia arriba y finalmente fuera del disco de acreción a 120 millas por segundo, momento en el que la llamarada se detuvo. . Si la explicación es precisa, el agujero negro debería volver a caer en el disco de acreción a la misma velocidad en unos meses o un año, generando otra llamarada. "Estaremos buscando eso", dijo el Dr. Graham.

Pregunta: ¿Por qué la fusión de agujeros negros giratorios dentro del disco de acreción de un agujero negro supermasivo haría que "salieran disparados hacia arriba" del disco? ¿Cómo se conservó el impulso, es decir, algo más retrocedió y "disparó hacia abajo"?


Las ondas gravitacionales se llevan el impulso

De wikipedia

Retroceso de fusión de agujero negro Puede ocurrir un resultado inesperado con los agujeros negros binarios que se fusionan, ya que las ondas gravitacionales llevan impulso y el par de agujeros negros que se fusionan acelera aparentemente violando la tercera ley de Newton. El centro de gravedad puede agregar más de 1000 km / s de velocidad de patada. [30] Las mayores velocidades de patada (que se acercan a 5000 km / s) ocurren para binarios de agujero negro de igual masa y de igual magnitud de giro, cuando las direcciones de giro están orientadas de manera óptima para estar contraalineadas, paralelas al plano orbital o casi alineadas con el momento angular orbital. [31] Esto es suficiente para escapar de las grandes galaxias. Con orientaciones más probables, se produce un efecto menor, quizás solo unos pocos cientos de kilómetros por segundo. Este tipo de velocidad expulsará los agujeros negros binarios fusionados de los cúmulos globulares, evitando así la formación de agujeros negros masivos en los núcleos de los cúmulos globulares. A su vez, esto reduce las posibilidades de fusiones posteriores y, por tanto, la posibilidad de detectar ondas gravitacionales. Para los agujeros negros que no giran, se produce una velocidad de retroceso máxima de 175 km / s para masas en una proporción de cinco a uno. Cuando los giros están alineados en el plano orbital, es posible un retroceso de 5000 km / s con dos agujeros negros idénticos. [32]

Las citas son para

[30] Pietilä, Harri; Heinämäki, Pekka; Mikkola, Seppo; Valtonen, Mauri J. (10 de enero de 1996). Radiación gravitacional anisotrópica en la fusión de agujeros negros. Jornada de Astrofísica Relativista. CiteSeerX 10.1.1.51.2616.

[31] Campanelli, Manuela; Lousto, Carlos; Zlochower, Yosef; Merritt, David (7 de junio de 2007). "Máximo retroceso gravitacional". Cartas de revisión física. 98 (23): 231102. arXiv: gr-qc / 0702133. Código Bibliográfico: 2007PhRvL… 98w1102C. doi: 10.1103 / PhysRevLett.98.231102. PMID 17677894.

[32] Lousto, Carlos; Zlochower, Yosef (2011). "Hangup Kicks: retrocesos aún mayores por alineación parcial de giro-órbita de binarios de agujero negro". Cartas de revisión física. 107 (23): 231102. arXiv: 1108.2009. Código Bibliográfico: 2011PhRvL.107w1102L. doi: 10.1103 / PhysRevLett.107.231102. PMID 22182078.


Déjame ver si puedo intentar responder ambas partes de tu pregunta. La clave es una combinación de dos cosas: 1) La mayoría de los BH binarios en un disco de acreción tendrán sus órbitas binarias en el mismo plano que el disco de acreción, de modo que "perpendicular al plano binario" = "perpendicular al disco de acreción" "; 2) La forma más eficaz de retroceso binario, en la que, como señaló Steve Linton, el exceso de impulso lineal es arrastrado por ondas gravitacionales (GW), hace que el remanente fusionado se patee en una dirección perpendicular al plano orbital binario.

Para la primera parte, se cree que la combinación de un disco de acreción gaseoso y objetos compactos y masivos que orbitan dentro del disco (estrellas, enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros) acelera la formación de objetos binarios (incluidos los agujeros negros binarios). pero solo para objetos que orbitan en el plano del disco de acreción. Dado que tales objetos están orbitando alrededor del SMBH central en el mismo plano, cuando dos de esos objetos forman un binario, generalmente terminarán orbitando El uno al otro en el mismo avión. Por lo tanto, debería imaginar una población de binarios dentro de este disco, en su mayoría con sus propios planos orbitales alineados con el plano del disco de acreción. (Tenga en cuenta que no hay razón para esperar giros de los BH individuales para que se alineen entre sí, lo que será importante más adelante).

Ahora consideramos el efecto de retroceso gravitacional. El escenario más simple, ¡uno que no es realmente relevante aquí! - para la fusión binaria-BH implica dos no girando BHs. Si son iguales en masa, entonces todo es simétrico y no obtienes ningún "impulso". Si ellos estan desigual en masa, entonces el BH de menor masa tiene una velocidad orbital más alta y (debido al haz relativista) emitirá impulso en forma de GW en su dirección orbital de manera más efectiva que en el caso del BH más masivo. Entonces, todo el sistema emite un exceso de impulso (lineal) en una dirección, y el binario retrocede para conservar el impulso. No habría ningún efecto neto si las órbitas fueran circulares e inmutables (porque entonces el "chorro" de exceso de impulso en las GW simplemente atravesaría $ 360 ^ { circ} $ mientras los BH se orbitaban entre sí); pero porque las órbitas son decadente debido a la emisión de GW, se termina con una emisión neta asimétrica de impulso en los GW, emparejada con un retroceso del binario que se fusiona. Pero esto está en el plano del binario, por lo que no produciría la patada perpendicular que nos interesa. (Consulte este artículo de Astrobites para obtener una buena imagen, tomada de este artículo).

Aunque el retroceso en el caso de los BH que no giran se había estudiado teóricamente durante algún tiempo, las simulaciones recientes (que comenzaron alrededor de 2007) mostraron que si los BH eran hilado (como casi con certeza lo están casi todos los agujeros negros), y tenían sus giros desalineados, entonces hubo un efecto de retroceso adicional mucho más fuerte: un "superkick". La clave es que esto El efecto de retroceso hace que el binario de fusión se patee en una dirección perpendicular al plano orbital del binario (Vea este artículo de Astrobites para una discusión, aunque realmente no ofrece una explicación simple y agradable de la causa subyacente). Dado que, como se señaló anteriormente, el plano orbital del binario generalmente está alineado con el plano del disco de acreción, el resultado final es que el remanente de fusión se patea aproximadamente perpendicular al disco de acreción.


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