Як ми можемо знати, що чорні діри крутяться?

Як можна дізнатися, крутиться чи ні чорна діра?

Якщо планета крутиться, ви можете це добре бачити, але насправді не видно чорної діри.

Наступна річ полягає в тому, що матерія взаємодіє з сусідньою речовиною, і ми могли б побачити, в якому напрямку матерія, що оточує БХ, крутиться (наприклад, якщо ви крутите кульку на воді, вода навколо буде крутитися теж у тому ж напрямку), але матерія не може взаємодіяти зсередини горизонту події назовні, тому справа прямо на горизонті події просто би взаємоділа із силою тяжіння (як, наприклад, БХ не має тертя).

Тепер гравітація. Я б подумав, що ви можете виміряти різницю в силі тяжіння, якщо великий об'єкт не ідеально рівномірний, але я думаю, що у БГ однаковий тяжіння гравітації з усіх боків.

Що я тут пропускаю? Як можна навіть виявити або визначити , спостерігаючи, що чорна діра крутиться, а ще краще, виміряти, як швидко?

Гравітаційне поле прядильної речовини або чорна діра, що обертається, змушує матерію навколо неї починати крутитися. Це називається " перетягуванням кадрів " або "гравітамагнетизмом", остання назва походить від того, що він тісно аналогічний магнітному ефекту рухомих електричних зарядів. Існування гравітамагнетизму пов'язане з кінцевою швидкістю сили тяжіння, тому його не існує в ньютонівській гравітації, де ця швидкість нескінченна, але вона присутня в загальній відносності, і для чорних дір вона досить велика, щоб її можна було виявити.

Також з чисто теоретичних причин ми очікуємо, що всі чорні діри крутяться, тому що чорна діра, що не обертається, є такою ж, як чорна діра, що крутиться, з кутовою швидкістю рівно нулю, і немає жодної причини, чому кутова швидкість чорної діри була б точно такою нуль. Навпаки, оскільки вони настільки менші, ніж матерія, що руйнується для їх отримання, навіть невеликий, випадковий чистий імпульс кутового моменту руйнується речовини повинен призвести до швидко обертається чорної діри. (Класична аналогія цьому - це фігурист, який швидше обертається, коли вони тягнуть руки.)

Найбільш внутрішня стабільна кругла орбіта різна в залежності від швидкості обертання. Диски з розширенням тягнуться до ISCO, тому це призводить до помітних змін. Від спина надмасивних чорних отворів :

Для отримання $a=1$ (максимального спина в Prograde сенс по відношенню до орбіти частинки), має $r_{isco}=M$ . Це те саме значення координат, яке має горизонт подій, але насправді система координат є єдиною в цьому місці і існує кінцева належна відстань між двома місцями. У міру зменшення $r_{isco}$ монотонно зростає через $r_{isco}=6M$ коли $a=0$ досягає максимуму $r=9M$ коли$a=−1$ (максимальний спін ретрограду до частинки орбіти). Як ми обговорюємо нижче, ISCO встановлює ефективний внутрішній край накопичувального диска (принаймні, для конфігурацій дисків, які ми розглянемо тут). Таким чином, спінова залежність ISCO безпосередньо перетворюється на спін-залежні спостереження; зі збільшенням віджимання і радіусом ISCO зменшується, диск стає більш ефективним при витягуванні / випромінюванні гравітаційної енергії зв’язку акумуляторної речовини, диск стає гарячішим, тимчасові частоти, пов'язані з внутрішнім диском, збільшуються, а гравітаційні червоні зміни емісія дисків збільшується.

Емпірично, переглядаючи спектри накопичувальних дисків, ми можемо оцінити $a$ .

Гравітаційне поле чорної діри залежить як від її маси, так і від її віджимання. Це має ряд спостережуваних наслідків:

• Як згадується у відповіді Андерса Сандберга, існує найменша можлива кругова орбіта навколо чорної діри (ISCO), радіус якої залежить від закрутки чорної діри. Таким чином, якщо ви бачите, як матерія орбітує чорну діру в накопичувальному диску, внутрішній край надасть нижню межу віджиму.
• Коли дві чорні діри зливаються, отриманий об'єкт осідає, коливаючись та випромінюючи гравітаційні хвилі з характерною частотою та швидкістю занепаду, визначеними масою та віджимом кінцевої чорної діри. Для гучних злиттів (таких як GW150914) це так зване усунення може бути виміряне, що дає пряму міру маси та віджиму утворилася чорної діри.
• Перед таким злиттям обертання окремих чорних дір впливатиме на те, як розвивається інспірал, що відбивається на спостережуваній формі гравітаційної хвилі. Порівнюючи спостережувану форму хвилі з теоретично очікуваними шаблонами для різних спінів, можна (спробувати) виміряти спіни чорних дірок, що зливаються. (Таким чином, найбільш спостережувані (опубліковані) злиття можуть узгоджуватися з тим, що обидві БГ не є спінінговими.)
• Спіна чорної діри також впливає на те, як вона відхиляє світло. Отже, зображення тіні чорної діри, такі, як зроблені телескопом горизонту події, можуть бути використані для визначення спіну чорної діри (якщо ми трапимо її під прямим кутом).

Як згадується у коментарі Рорі , об’єкт у просторі повинен у певний момент часу набути спіна. Будь-який об’єкт має силу тяжіння, і при нульовій частоті обертання він не матиме спіну, як тільки контактує з іншим спіном об'єкта, надається йому.

Хоча це правда, але малоймовірно, що він міг би бути вражений іншим об'єктом, який точно скасував своє віджимання, це лише питання часу, поки з'явиться ще один об'єкт - тому об’єкти в космосі набагато частіше крутяться, ніж ні.

Дивіться, наприклад, відео про співпрацю SXS : " Вдихання та злиття двійкової чорної діри GW151226 ":

Кутовий імпульс - це обертальний еквівалент лінійного імпульсу і збереженої величини - загальний імпульс кута закритої системи залишається постійним. Чим більше щільність, тим швидше крутиться об'єкт, щоб зберегти його кутовий імпульс.

Для тих, хто шукає додаткову інформацію, я включатиму такі посилання:

• " Виявлення чорних дір крутиться та зондує потоки прискорення / викидання в АГН за допомогою інтегрального польового підрозділу Афіни " (6 червня 2019 р.), Дідьє Баррет (IRAP) та Массімо Каппі (INAF-OAS):

  " Контекст . Активні галактичні ядра (AGN) відображають складні рентгенівські спектри, які демонструють різні характеристики випромінювання та поглинання, які зазвичай інтерпретуються як поєднання i) релятивістсько розмитого компонента відбиття, що виникає в результаті опромінення накопичувального диска компактний жорсткий джерело рентгенівського випромінювання; ii) один або кілька теплих / іонізованих компонентів поглинання, що виробляються відтоками, керованими AGN, що перетинають нашу лінію зору, і iii) нерелятивістський компонент відбиття, що виробляється більш віддаленим матеріалом. фітінг , таким чином , може бути використана , щоб обмежити обертання чорної діри, геометрію і характеристики аккреционного потоку, а також з відтоків і околиці чорної діри.
  Цілі. Ми досліджуємо, як рентгенівський спектрометр високої роздільної здатності, такий як інтегральний польовий блок афінського рентгенівського апарату Афіни (X-IFU), може бути використаний для цієї мети, використовуючи сучасну модель відображення relxill у геометричній конфігурації лампи .
  Методи . Ми моделюємо репрезентативну вибірку спектрів AGN, включаючи всі необхідні складності моделей, а також діапазон параметрів моделі, що переходять від стандартних до більш екстремальних значень, та розглядають потоки рентгенівських променів, які є репрезентативними для відомих популяцій AGN та Quasars (QSOs). Ми також представляємо метод оцінки систематичних помилок, пов'язаних з невизначеностями калібрування X-IFU.
  Результати$_g$
  . Представлені тут симулятори демонструють потенціал X-IFU зрозуміти, як живляться чорні діри та як вони формують свої галактики-господарі. Точність відновлення параметрів фізичної моделі, закодованих в їх рентгенівському випромінюванні, досягається завдяки унікальній здатності X-IFU розділяти і обмежувати, звужувати і широкі компоненти випромінювання та поглинання ".

• " Спостереження за спинами чорних дір " (27 березня 2019), Крістофер С. Рейнольдс:

  "... чорні діри - це найпростіші об'єкти природи, що визначаються виключно їх електричним зарядом (який нейтралізується до нуля в реалістичних астрофізичних умовах), масою та імпульсом кута.

  ...

  У цьому огляді я досліджую поточний стан та майбутні обіцянки вимірювань віджиму чорної діри. Протягом більшої частини останніх 20 років кількісні заходи віджимання були сферою рентгенівської астрономії, і ці методи продовжують удосконалюватися, оскільки якість даних покращується. З недавнім появою гравітаційної хвильової астрономії, у нас з'явилося абсолютно нове та доповнювальне вікно про спінінг чорних дір. Крім того, ми стоїмо на порозі чергового прориву, прямого зображення тіні горизонту події за допомогою глобальної інтерферометрії дуже довгої базової лінії, яка називається телескопом "Горизонт подій" (EHT). Ми по-справжньому вступаємо в золотуху для вивчення фізики чорної діри та віджимання чорної діри.

  ...

  
  $M$$J$$a = cJ/GM^2$$c$$G$$M$$a$
  $|a| > 1$

  Сторінка 3:

  
  Малюнок 1: Розташування деяких спеціальних орбіт в екваторіальній площині чорної діри Керра як функція спінового параметра. Тут показана найглибша стабільна кругова орбіта (червона лінія), кругла орбіта фотона (синя лінія), статична межа (пунктирна біла лінія) та горизонт подій (що обмежує сірий відтінок). Позитивний / негативний параметр спіна відповідає спину, який проградується / ретроградний, відповідно відносно речовини, що обертається (або фотонів). Вертикальна пунктирна червона лінія розділяє корпуси програми та ретрограду. Кругові орбіти стійкі за межами найбільш внутрішньої стабільної орбіти, але стають нестабільними всередині цього радіуса (область, позначена світло-червоним відтінком). Кругових орбіт не існує внутрішня частина круглої орбіти фотона (область, позначена суцільним червоним відтінком). Для конкретності передбачається чорна діра 10 сонячної маси. Радіуси для інших мас можна отримати, використовуючи лінійну пропорційність.

Один із способів мислення гравітаційного поля поза чорною дірою - це те, що воно є своєрідним викопним або застиглим враженням. Він відображає тяжкість речовини, яка утворилася / впала в чорну діру в той момент, коли вона стала "замкненою" всередині горизонту події, і тому не змогла впливати на щось зовні, включаючи гравітаційне поле.

Якщо матерія на цьому етапі мала чистий імпульс кута, гравітаційне поле поза чорною дірою відрізняється. Математично це описується рішенням Керра в рівняннях Ейнштейна замість рішення Шварцшильда. Цю різницю можна спостерігати різними способами, наприклад, у поведінці світла або речовини, близької до чорної діри.