Спин-флип

Эта статья о спин-флипах черной дыры. Информацию об атомных спин-флипах см. в разделе «Линия водорода» .

Схематическая диаграмма спин-флип черной дыры.

Переворот вращения черной дыры происходит, когда ось вращения вращающейся черной дыры внезапно меняет ориентацию из-за поглощения второй (меньшей) черной дыры. Считается, что спин-флип является следствием слияния галактик , когда две сверхмассивные черные дыры образуют связанную пару в центре слившейся галактики и сливаются после испускания гравитационных волн . Спин-флипы важны с астрофизической точки зрения, поскольку ряд физических процессов связан со спинами черных дыр; например, считается, что струи в активных галактиках запускаются параллельно осям вращения сверхмассивных черных дыр. Таким образом, изменение оси вращения черной дыры из-за переворота вращения приведет к изменению направления струи.

Физика

Спин-флип — это поздняя стадия эволюции двойной черной дыры . Двойная система состоит из двух черных дыр с массой $M_{1}$ и $M_{2}$, которые вращаются вокруг общего центра масс . Полный угловой момент $J$ двойной системы есть сумма угловых моментов орбиты , ${L}$, плюс спиновые угловые моменты ${S}_{1,2}={S}_{1}+{S}_{2}$из двух отверстий. Если мы напишем $\mathbf {M_{1}} ,\mathbf {M_{2}}$ как массы каждой дырки и $\mathbf {a_{1}} ,\mathbf {a_{2}}$ как их параметры Керра , затем используйте угол к северу от их осей вращения, заданный формулой $\theta$, мы можем написать,

$$\mathbf {S} _{1}=\{\mathbf {a} _{1}\mathbf {M} _{1}\cos(\pi /2-\theta ),\mathbf {a} _{1}\mathbf {M} _{1}\sin({\tfrac {\pi }{2}}-\theta )\}$$

$$\mathbf {S} _{2}=\{\mathbf {a} _{2}\mathbf {M} _{2}\cos({\tfrac {\pi }{2}}-\theta ),\mathbf {a} _{2}\mathbf {M} _{2}\sin({\tfrac {\pi }{2}}-\theta )\}$$

$$\mathbf {J} _{\text{init}}=\mathbf {L} _{\text{orb}}+\mathbf {S} _{1}+\mathbf {S} _{2}.$$

Если расстояние между орбитами достаточно мало, выброс энергии и углового момента в виде гравитационного излучения приведет к уменьшению расстояния между орбитами. В конце концов, меньшее отверстие $M_{2}$достигает самой внутренней стабильной круговой орбиты, или ISCO, вокруг большей дыры. Как только ISCO достигается, стабильной орбиты больше не существует, и меньшая дыра погружается в большую дыру, сливаясь с ней. Конечный угловой момент после слияния равен всего лишь

$$\mathbf {J} _{\text{final}}=\mathbf {S} ,$$

спиновый угловой момент одиночной сросшейся дырки. Пренебрегая угловым моментом, уносимым гравитационными волнами во время финального погружения, который мал – сохранение углового момента подразумевает

$$\mathbf {S} \approx \mathbf {L} _{\text{ISCO}}+\mathbf {S} _{1}+\mathbf {S} _{2}.$$

$S_{2}$ в порядке $(M_{2}/M_{1})^{2}$ раз $S_{1}$ и его можно игнорировать, если $M_{2}$ намного меньше, чем $M_{1}$. Сделав это приближение,

$$\mathbf {S} \approx \mathbf {L} _{\text{ISCO}}+\mathbf {S} _{1}.$$

Это уравнение утверждает, что окончательный спин дыры представляет собой сумму начального спина большей дыры плюс орбитальный угловой момент меньшей дырки на последней стабильной орбите. Поскольку векторы $S_{1}$ и $L$ вообще ориентированы в разных направлениях, $S$ будет указывать в другом направлении, чем $S_{1}$— спин-флип.

Угол, на который переориентируется вращение черной дыры, зависит от относительного размера $L_{\rm {ISCO}}$ и $S_{1}$, и от угла между ними. С одной стороны, если $S_{1}$ очень мал, в финальном вращении будет доминировать $L_{\rm {ISCO}}$и угол поворота может быть большим. С другой стороны, большая черная дыра изначально может быть черной дырой Керра с максимальным вращением . Тогда его спиновый угловой момент имеет порядок

$$S_{1}\approx GM_{1}^{2}/c.$$

Орбитальный угловой момент меньшей дыры в ISCO зависит от направления ее орбиты, но имеет порядок

$$L_{\text{ISCO}}\approx GM_{1}M_{2}/c.$$

Сравнивая эти два выражения, следует, что даже довольно маленькая дырка, масса которой составляет примерно одну пятую массы большей дырки, может переориентировать большую дырку на 90 градусов и более.

Связь с радиогалактиками

Спин-флип черной дыры впервые обсуждался в контексте особого класса радиогалактик — Х -образных радиоисточников . Х-образные галактики имеют две смещенные пары радиолепестков: «активные» доли и «крылья». Считается, что крылья ориентированы в направлении струи до переворота вращения и что активные лепестки направлены в направлении текущей струи. Спин-флип мог быть вызван поглощением второй черной дыры во время слияния галактик .

См. также

• Сверхмассивная черная дыра - самый крупный тип черной дыры.
• Гравитационная волна – распространение пульсации пространства-времени
• Радиогалактика - тип активной галактики, очень яркой в ​​радиодиапазоне.

Внешние ссылки

• Бинарная эволюция массивной черной дыры Статья о бинарных черных дырах.
• Ученые обнаружили «дымящийся пистолет» сталкивающихся черных дыр