Ist zu erwarten, dass alle stellaren Schwarzen Löcher nahe der maximal erlaubten ωω\omega-Geschwindigkeit rotieren werden?

Mit ein bisschen klassischer Argumentation stelle ich mir die Entstehung eines Schwarzen Lochs ähnlich wie eine Schlittschuhläuferin vor, die an ihren Armen zieht:

Skater zieht ihre Arme ein, um die Winkelgeschwindigkeit zu erhöhen

Jetzt kann der Größenunterschied zwischen einem Stern und seinem Schwarzen Loch nicht einmal effektiv in einem Bild festgehalten werden. Das Schwarze Loch für unsere Sonne wäre in diesem Bild viel kleiner als ein Pixel:

Größenvergleich unserer Sonne und Planeten

Das deutet für mich darauf hin, dass selbst sehr langsam rotierende Sterne viel mehr Drehimpuls haben würden, als von ihren resultierenden Schwarzen Löchern unterstützt werden könnte. Ich habe die Berechnung nicht durchgeführt, weil ich die Kerr -Metrik nicht wirklich verstehe, aber selbst mit einem Haufen klassischer Handbewegungen würde ich denken, dass sich fast jedes Schwarze Loch, das bei einem Sternkollaps entsteht, maximal drehen würde.

Meine Frage ist also, erwarten wir, dass sich fast alle Schwarzen Löcher maximal drehen? Wenn ja, wie viel Drehimpuls geht (ungefähr) verloren, weil der Stern viel mehr hatte, als das Schwarze Loch tragen konnte? Und wie wird all dieser zusätzliche Drehimpuls beim Kollaps abgebaut? Handelt es sich nur um Tonnen von Materie, die ausgestoßen werden, bis der Drehimpuls niedrig genug ist, um die Bildung eines schwarzen Kerr-Lochs zu ermöglichen?

Ein großer Teil der Masse des Sterns landet nicht im Schwarzen Loch und es kann so viel Drehimpuls abtransportiert werden. Keine Ahnung ob das wichtig ist oder nicht.
Für eine Größenordnung, wenn die Erde eine einheitliche Dichte, aber die gleiche Masse, den gleichen Radius und die gleiche Rotationsgeschwindigkeit hätte, hätte sie das, denke ich ∼ 900 mal zu viel Drehimpuls, um zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren. Was die tatsächlichen Schwarzen Löcher betrifft, so habe ich die AGN-Spezialisten informell gefragt und nie etwas anderes als unverbindliche Antworten erhalten.
Hallo @bobie, danke für die Änderungen und die Frage ist noch offen. Ich freue mich natürlich über eine weitere Antwort.

Antworten (1)

Ein hoher Drehimpuls stellt eine Barriere dar, die den Kollaps eines Schwarzen Lochs verhindert (zumindest bis dieser Drehimpuls abgestrahlt wird).

Der Parameter, von dem die Entstehung eines Schwarzen Lochs abhängt, ist das Verhältnis Q des Drehimpulses ( J ) zum Quadrat der Masse ( M ). Wenn Q = J / M 2 < 1 (in relativistischen Einheiten mit G = 1 , C = 1 ), dann kann das Schwarze Loch (genauer gesagt das nicht-extreme Kerr-Schwarze Loch) entstehen. Wenn Q > 1 dann kann das Schwarze Loch nicht ohne einen Drehimpulsverlustmechanismus aus der ganzen Materie gebildet werden (das bedeutet natürlich, dass dabei auch ein Teil der Masse verloren gehen muss).

Zum Beispiel ist dieser Parameter derzeit für die Sonne etwas größer als 1. ( Natürlich ist die Sonnenmasse zu klein, um jemals ein Schwarzes Loch zu bilden, Drehimpuls hin oder her ).

Wenn wir von einem Sternkollaps sprechen (siehe zum Beispiel [1]), verliert er während der späten Entwicklung des Sterns einen beträchtlichen Teil seiner äußeren Hülle. Da die äußeren Schichten den größten Teil des Drehimpulses tragen, ist es durchaus möglich, dass als Ergebnis dieses Prozesses die Rotation des tatsächlichen kollabierenden Objekts langsam genug wäre, um das Schwarze Loch vollständig zu bilden.

Alternativ, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des kollabierenden Sterns hoch genug ist, bleibt während des Kollaps der Teil eines Drehimpulses in der Akkretionsscheibe erhalten , die sich um das neu entstandene Schwarze Loch herum bildet. Die Materie von einer solchen Scheibe könnte dann hineinfallen und möglicherweise das Verhältnis erhöhen Q , wird aber trotzdem nie den Grenzwert 1 erreichen.

Beachten Sie, dass die Akkretionsscheibe (abhängig von der tatsächlichen Konfiguration) auch den gegenteiligen Effekt erzeugen kann . Der Blandford-Znajek-Prozess kann die Rotation eines Schwarzen Lochs verlangsamen, indem Rotationsenergie extrahiert wird.

Eine andere Möglichkeit ist, dass das Schwarze Loch nie entsteht, wenn die Rotation schnell genug ist: Zum Beispiel fanden numerische Simulationen in [2] das für Q > 1 Der kollabierende Neutronenstern bildet einen Torus, der dann in nicht achsensymmetrische Klumpen zerfällt (ohne jemals einen Horizont zu erzeugen).

[1] Heger, A., Fryer, CL, Woosley, SE, Langer, N., & Hartmann, DH (2003). Wie massereiche Einzelsterne ihr Leben beenden . The Astrophysical Journal, 591(1), 288. arXiv:astro-ph/0212469 .

[2] Duez, MD, Shapiro, SL, & Yo, HJ (2004). Relativistische hydrodynamische Entwicklungen mit Exzision von Schwarzen Löchern . Physical Review D, 69(10), 104016. arXiv:gr-qc/040107 .

Netter Kommentar, aber zur Betonung sei angemerkt, dass dies ein Argument für die Antwort "Ja, Schwarze Löcher haben tendenziell einen maximalen Drehimpuls" ist. Weil dieser maximale Drehimpuls ("extremes schwarzes Kerr-Loch") J=M^2 ist, also q=1. Bei der Bildung eines Schwarzen Lochs kann ein Stern also im Allgemeinen mehr als diesen kritischen Drehimpuls haben, und die Bildung eines Schwarzen Lochs setzt genau bei dem kritischen Wert ein.
Ist zu erwarten, dass alle stellaren Schwarzen Löcher nahe der maximal erlaubten ωω\omega-Geschwindigkeit rotieren werden?
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