Warum glaubten Astronomen, dass die meisten oder alle stellaren Schwarzen Löcher Massen von nicht mehr als 15 Sonnenmassen haben?

Die sogenannten „Massenlücken“ für Schwarze Löcher liegen nach theoretischen Modellen zwischen 2-5 Sonnenmassen und 50 bis 150 Sonnenmassen. (Tatsächlich habe ich gelesen, dass es keinen guten theoretischen Grund für die geringere Lücke von 2 bis 5 Sonnenmassen gibt ....)

Die geringere Massenlücke wird aus Beobachtungsgründen vermutet, da wir noch keinen Neutronenstern mit einer Masse von mehr als etwa 2 M beobachten müssen$_{\odot}$(Die Fehlerbalken solcher Messungen variieren stark je nach Beobachtungsmethode, und es ist derzeit umstritten, welcher Neutronenstern der massereichste derzeit bekannte ist) und weil wir auch kein Schwarzes Loch in einem Röntgendoppelstern entdeckt haben dessen Masse kleiner als etwa 6 M ist$_{\odot}$. Eine Neutronenstern-Doppelsternverschmelzung kann jedoch ein Schwarzes Loch erzeugen, das sich in dieser geringeren Masselücke befinden könnte. Daher wird die Lücke in Wirklichkeit wahrscheinlich von massereichen Neutronensternen (wenn sie sehr schnell rotieren und eine Neigung haben usw.) und von massearmen Schwarzen Löchern bevölkert sein, die aus der Verschmelzung binärer Neutronensterne resultieren .

Die derzeitige Nomenklatur für die Massen beobachteter Schwarzer Löcher spiegelt die dem Feld innewohnende Unsicherheit wider. Gerade jetzt, obwohl die Grenzen willkürlich sind: Sternmasse bedeutet$\lesssim 100$M$_\odot$, Zwischenmasse bedeutet$\sim 1000 - 10^5$M$_\odot$, supermassiv bedeutet$\gtrsim 10^6$M$_\odot$. Es gibt keine Obergrenze für die Masse des Schwarzen Lochs aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, aber astrophysikalische und kosmologische Überlegungen können, obwohl modellabhängig, eine Obergrenze von etwa ergeben $10^{11}$, könnte aber größer sein. Diese wurden als „unglaublich groß“ und „ultramassiv“ bezeichnet.

Theoretisch werden die Grenzen dieser unteren Massenlücke von unten durch die Sternentwicklung motiviert , zB Neutronensterne werden voraussichtlich nur bis zu einer bestimmten Masse entstehen (abhängig von der Metallizität), und astrophysikalische Prozesse wie Akkretion. Sehr wichtig ist, dass die Grenzen von der Zustandsgleichung des Kernmaterials abhängen, die ungewiss und einer der „heiligen Grale“ ist, hinter denen Astronomen mit Gravitationswellen (GW) her sind.

Die Leute schreiben also oft nur eine Reihe von$2 - 5$der Einfachheit halber beim Schreiben in Pop-Science-Artikeln. Es wird allgemein angenommen, dass die obere Massenlücke, die der Paarinstabilitäts-Supernova zugeschrieben wird, vorhanden ist$50 - 150$M$_{\odot}$(das ist die Masse des Schwarzen Lochs), aber diese Grenzen sind ungewiss, weil sie von den Unsicherheiten der Sternentwicklungsmodelle und der Supernova-Physik abhängen. Genau wie bei der unteren Massenlücke könnte diese Lücke in der Praxis von Schwarzen Löchern bevölkert werden, die sich aus hierarchischen Verschmelzungen in dichten Sternhaufen (dynamischer Kanal) oder aus der Entwicklung isolierter Doppelsterne bilden, die im Prinzip hohe Stern- Massenbinärdateien wie GW190521, die eine gescheiterte Supernova überleben, obwohl dies ungewiss ist, da dies von Sternwinden und Berechnungen der Kernmasse abhängt.

BEARBEITEN: Wie Rob unten erklärt, ist die Geschichte der Theorien zum Massenverlust von Sternwinden ein aktives Feld. Die Vorläufer von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse sind massereiche Sterne (z$m_{\rm ZAMS} \gtrsim 30$M$_{\odot}$). Beispielsweise werden Wolf-Rayet- Sterne seit den 1980er Jahren als Endpunkt der stellaren Kernentwicklung massereicher Sterne angesehen. WR-Sterne haben für ihre Größe starke Winde, die liniengetrieben sind , ähnlich wie die O-Typ-Sterne, aus denen sie sich wahrscheinlich entwickeln. Die Massenverlustrate von der Sternoberfläche wird typischerweise als Potenzgesetz der Leuchtkraft und Metallizität des Sterns modelliert, dh höhere Masse und höhere Metallizität implizieren beide mehr Massenverlust. Ein anfänglich massereicher Stern wird also starke Winde erfahren, umso mehr, wenn er eine hohe Metallizität aufweist (wie Rob betont, könnten Umgebungen mit geringer Metallizität Orte von Schwarzen Löchern in der Nähe / in unserer Galaxie sein). Wie Sie jedoch vielleicht in Pop-Sci- und wissenschaftlichen Artikeln hören/lesen, schließt dies die Existenz von massereichen Schwarzen Löchern nicht aus! DerDie massereichsten Sterne, die wir bisher beobachtet haben, sind WR-Sterne , was darauf hindeutet, dass sie sich aus noch massereicheren Sternen entwickelt haben könnten, und im Extremfall werden supermassereiche Sterne als „ Keime “ von supermassereichen Schwarzen Löchern angesehen.

Aber ich habe auch gelesen, dass Astrophysiker überrascht waren, mit dem LIGO Gravitationswellen-Observatorium Schwarze Löcher zu finden, die größer als 15 Sonnenmassen sind....

Ich vermute, Sie haben dies aus popwissenschaftlichen Artikeln gelesen, die oft die Stimmung eines wissenschaftlichen Artikels nicht richtig charakterisieren, aber es ist eine schwierige Sache. Der Grund, warum jeder „überrascht“ wäre, schwarze Löcher mit Massen von mehr als 15 M zu finden$_{\odot}$, ist, dass wir vor der Entdeckung von BBHs (durch direkte Detektion von Gravitationswellen) nur Hinweise auf die Existenz von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse aus Beobachtungen von Röntgendoppelsternen hatten. Siehe hier und hier für Übersichten über bekannte Schwarze Löcher mit stellarer Masse in Röntgendoppelsternen.

„Diese Beobachtungen sind mit astrophysikalischen Szenarien sehr schwer zu erklären und mit urzeitlichen Schwarzen Löchern lassen sie sich recht einfach erklären“, sagt Sébastien Clesse, Kosmologe an der Universität Brüssel in Belgien.“

Auch dies hängt nur davon ab, wen Sie fragen. Jeder möchte sagen, dass seine Arbeit der relevanteste Bildungskanal für das ist, was LIGO/Virgo sehen, und das ist in Ordnung, weil die Anzahl der bekannten Quellen noch zu gering ist, um strenge Behauptungen über die Bildung von BBH-Quellen aus GW-Erkennungen aufzustellen. Da außerdem das Signal-Rausch-Verhältnis, das die aktuellen Detektoren erreichen können, so niedrig ist (z. B. selten über ~20), ist es sehr schwierig, die mögliche Bildung auch nur eines einzelnen Ereignisses einzuschränken. So viele Ereignisse, die am Rande der gegenwärtigen theoretischen Unsicherheiten liegen, werden als „schwer zu erklären“ bezeichnet. Dieses Zitat, das Sie zur Verfügung gestellt haben, ist ein perfekter Beweis dafür, da es tatsächlich keine Beweise dafür gibt, dass primordiale Schwarze Löcher überhaupt existieren !!!

Für den Fall, nach dem Sie speziell gefragt haben, GW190814, ist dies hauptsächlich wegen der sehr geringen Masse des Sekundärteils schwierig. Dies könnte jedoch beispielsweise durch die isolierte Entwicklung eines Doppelsterns mit einem anfänglich sehr niedrigen Massenverhältnis erklärt werden, bei dem sich die weniger massereiche Komponente zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch entwickeln könnte. Es gibt Leute, die isolierte binäre Evolution studieren und behaupten, dass alle LIGO-Quellen durch ihren Kanal erklärt werden können, aber sie stimmen ihre Simulationen ab, um die LIGO-Ergebnisse zu produzieren. Es gibt Leute, die die dynamische Kanalentwicklung studieren und behaupten, dass es starke Beweise dafür gibt, dass diese oder jene Quelle von diesem Kanal stammt. Die Leute müssen Arbeiten schreiben und ihre Studenten finanzieren, und sie leisten einen Großteil der Grundlagenarbeit, die strengere Untersuchungen plausibel macht, sobald wir größere Stichproben bekannter Quellen haben.

Ich habe an anderer Stelle gelesen, dass vor LIGO keine stellaren Schwarzen Löcher über etwa 15,65 Sonnenmassen entdeckt worden waren, aber diese Referenz sagte nicht, dass oberhalb dieser Masse keine zu erwarten waren ....

Ich hoffe, ich habe das jetzt geklärt! Wenn Sie vor 2015 Artikel von der GW-Community lesen, zum Beispiel diese Rezension, haben sie sicherlich erwartet, binäre Schwarze Löcher mit Massen von mehr als 15 M zu sehen$_\odot$.

Ergänzend zu Daddy Kropotkin ausgezeichnete Antwort. Der physikalische Grund, warum Sie möglicherweise keine Schwarzen Löcher über 15 Sonnenmassen erwartet haben, hat mit dem stellaren Massenverlust zu tun (der höchst ungewiss und ein aktives Forschungsgebiet ist).

Sterne verlieren in ihren Sternwinden ständig an Masse, was die endgültige Masse des Sterns und damit die Masse eines Schwarzen Lochs, das er erzeugen kann, verringert. Dieser Massenverlust skaliert stark mit der Menge an Metallen in einem Stern und der Masse des Sterns. Massive Sterne (die schwarze Löcher erzeugen) verlieren also viel Masse, bevor sie sterben, also braucht man zunächst noch schwerere Sterne, um genügend Masse übrig zu haben, um schwarze Löcher über 15 mSonne zu machen, und je schwerer die Anfangsmasse eines Sterns ist seltener sein erwartet. Für Sterne in der Milchstraße (die als metallreich gilt) ist dies noch schwieriger, da das Vorhandensein von Metallen die Massenverlustraten erhöht.

Es ist nicht unmöglich, große Schwarze Löcher im MW zu erzeugen (siehe verschiedene Röntgensysteme), aber es ist schwierig. Eine Möglichkeit besteht darin, in Umgebungen mit geringer Metallizität, in denen die Winde schwächer sind, nach Schwarzen Löchern zu suchen. Aber dann wissen wir weniger über die Sternentstehungsrate in diesen Umgebungen, also ist es schwieriger herauszufinden, wie viele Schwarze Löcher entstehen werden. Die andere Option besteht darin, den vorhergesagten Massenverlust durch Winde zu verringern, worauf die jüngste Windtheorie hinarbeitet. In der Vergangenheit haben wir also möglicherweise überschätzt, wie viel Masse verloren geht, und daher die endgültigen Massen des Schwarzen Lochs unterschätzt.

Ich glaube nicht, dass es überhaupt eine Überraschung gibt, und Schwarze Löcher mit Massen von bis zu etwa 50 Sonnenmassen wurden in anderen, weit entfernten Galaxien erwartet.

Die Obergrenze von 15-20 Sonnenmassen entsteht in Schwarzen Löchern, die aus Sternen in einem metallreichen Gas entstehen. dh Wir erwarten eine Obergrenze von etwa 20 Sonnenmassen für Schwarze Löcher in unserer eigenen Galaxie.

Es gibt jedoch keine solche Einschränkung für Schwarze Löcher, die im fernen (vergangenen) Universum gebildet wurden, möglicherweise in Galaxien, die sehr metallarm sind. Dort führt die Hemmung des Massenverlusts durch Sternwinde aufgrund der geringeren Opazität metallarmer Hüllen zu größeren Restmassen und größeren Schwarzen Löchern.

Hier sind zwei Bilder, die die Situation zusammenfassen, aus einer äußerst einflussreichen Rezension von Heger et al. (2003) , lange vor den LIGO-Erkennungen veröffentlicht. Die rote Linie auf jedem Diagramm zeigt die Beziehung zwischen der Anfangsmasse eines Sterns (x-Achse) und der endgültigen Restmasse auf der y-Achse. Dies zeigt, dass die Bildung von Überresten von Schwarzen Löchern von bis zu etwa 50 Sonnenmassen aus massereichen Sternen im Urgas und vielleicht sogar noch höher für massereiche Vorläufer jenseits der „Paar-Instabilitäts-Supernova“-Lücke erwartet wird/wurden; aber es gibt/gab vielleicht eine Obergrenze von etwa 10 Sonnenmassen von massereichen Sternen mit der solaren Metallizität. (Ich habe irgendwo eine neuere Version dieses Diagramms mit einer Obergrenze von etwa 20 Sonnenmassen in metallreichen Sternen gesehen).

Vor LIGO befanden sich natürlich alle (stellargroßen) Schwarzen Löcher und Kandidaten für Schwarze Löcher in unserer eigenen (metallreichen) Galaxie und umkreisten metallreiche Sterne. Es ist also keine Überraschung, dass alle diese Massen unter 20 Sonnenmassen hatten.