Warum können supermassereiche Schwarze Löcher nicht verschmelzen? (oder können sie?)

Der CNet-Artikel Astronomen entdecken zwei supermassive Schwarze Löcher in einer Todesspirale verlinkt auf die Entdeckung eines eng getrennten binären Quasars im Herzen einer z ~ 0,2 verschmelzenden Galaxie und seine Auswirkungen auf niederfrequente Gravitationswellen (verfügbar in ArXiv ) und sagt:

Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich normalerweise im Zentrum von Galaxien, einschließlich unserer eigenen, und während einer Galaxienverschmelzung beginnen sie schließlich einen Todestanz, drehen sich in einem nahezu endlosen Walzer umeinander, bis sie schließlich verschmelzen. Die Forscher sind sich derzeit jedoch nicht sicher, wie lange es dauert, bis Schwarze Löcher verschmelzen – oder ob sie überhaupt verschmelzen.

„Es ist eine große Peinlichkeit für die Astronomie, dass wir nicht wissen, ob supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen“, sagte Jenny Greene, Professorin für astrophysikalische Wissenschaften in Princeton und Mitautorin der Studie. „Für alle, die sich mit der Physik von Schwarzen Löchern befassen, ist dies ein seit langem bestehendes Rätsel, das wir lösen müssen.“

Dieses Rätsel wird als „Final-Parsec-Problem“ bezeichnet. Einige Astronomen glauben, dass zwei supermassive Schwarze Löcher, sobald sie einander nahe genug kommen und ihre Entfernung auf 1 Parsec (3,2 Lichtjahre) verringern, für eine Ewigkeit tanzen können.

Frage: Wenn sich herausstellt, dass supermassive Schwarze Löcher nicht verschmelzen können oder Schwierigkeiten damit haben, was könnten die Gründe dafür sein?

Antworten (1)

Das Hauptproblem ist der Drehimpuls. Damit zwei gravitativ gebundene Objekte verschmelzen können (ob Schwarze Löcher, supermassereiche Schwarze Löcher, Planeten, Sterne usw.), müssen sie genügend Drehimpuls abgeben, damit ihre Umlaufbahntrennung klein genug wird. Der durchschnittliche Orbitalabstand (große Halbachse) wird vollständig vom Drehimpuls der Umlaufbahn bestimmt (zumindest in der klassischen Mechanik; ich weiß nicht, ob dies für relativistische Situationen wie das Verschmelzen von Schwarzen Löchern gilt, wenn sie nahe beieinander liegen). Das Entfernen des Drehimpulses erfordert Wechselwirkungen mit anderen Objekten.

Wenn zwei Galaxien verschmelzen, haben ihre supermassereichen Schwarzen Löcher beide einen Drehimpuls. Durch ein Phänomen, das als „dynamische Reibung“ bekannt ist, entziehen Gravitationswechselwirkungen mit anderen Sternen den Schwarzen Löchern einen Großteil ihres Drehimpulses, bis sie auf etwa ein paar Parsec voneinander entfernt sind. An diesem Punkt haben die Schwarzen Löcher alle Sterne, die sich in der Region befanden, herausgeschleudert, und es gibt (vermutlich) nichts mehr für dynamische Reibung, um ihren Drehimpuls zu schwächen. Sobald die Schwarzen Löcher nahe genug sind (ich weiß nicht aus dem Kopf, wie nahe), wird die Emission von Gravitationswellen dem umlaufenden Paar ihren verbleibenden Drehimpuls entziehen, und eine Verschmelzung wird unvermeidlich.

Um Ihre Frage zu beantworten : Der Grund dafür, dass supermassive Schwarze Löcher nicht verschmelzen können, ist, dass sie zu nahe beieinander liegen, als dass im Zentrum der Galaxie noch Material (Sterne, Gas usw.) vorhanden wäre, um den Drehimpuls zu entfernen das umlaufende Paar, das bereits das Material selbst entfernt hat, aber nicht nah genug für die Emission von Gravitationswellen sind, um den Drehimpuls schnell genug zu entfernen, damit ihre Verschmelzung bald (im astronomischen Sinne) erfolgen kann.

Dies ist eine großartige Antwort! Ich habe verschiedene Dinge daraus gelernt, schön.
Es ist sicher, Newtonsche Näherungen zu verwenden, wenn der Abstand zwischen den BHs groß ist. Verwenden Sie das Schwarzschild-Zeitdilatationsverhältnis, um eine ungefähre Vorstellung davon zu bekommen, wo relativistische Effekte zu groß werden, um sie zu ignorieren 1 − R S / R , Wo R S ist der Schwarzschild-Radius, und R ist die Distanz.
Um ein bisschen pedantisch zu sein, es sind zwei Prozesse am Werk 1. Dynamische Reibung, die die mittlere Wechselwirkung der einzelnen BHs mit der allgemeinen Population von Sternen (und dunkler Materie) in ihrer Nähe ist und die bis zu Skalen von a wirksam ist paar hundert parsecs...
... und 2. Gravitations-Dreikörper-Wechselwirkungen zwischen dem Doppelstern BH und einzelnen Sternen, wodurch Sterne aus den inneren Regionen "herausgeschleudert" werden. Dies dominiert für BH-Trennungen von weniger als einigen hundert pc; Wenn es nicht genügend Sterne im Zentrum gibt, mit denen die Binärdatei interagieren kann, ist sie möglicherweise nicht in der Lage, ihre Umlaufbahn auf weniger als ein Parsec oder so zu verkleinern - das "letzte Parsec" -Problem.
Am liebsten würde ich versuchen, sie mit einer gezielten Kette kleinerer schwarzer Löcher zu einer Brücke zu verschmelzen.
@PeterErwin Ich denke, Sie brauchen zusätzlichen Platz, also habe ich nur gefragt, wie zwei supermassereiche Schwarze Löcher beim Verschmelzen von Galaxien „das letzte Parsec“ erreichen?
@NeutronStar dito
Der Trennungsabstand für dominierende Gravitationswellen beträgt etwa 0,001 bis 0,01 Parsec. Aus diesem Grund scheint das Zusammenführen schwierig zu sein: Sie beginnen bei einem Parsec oder mehr und müssen diese Entfernung um mehrere Größenordnungen verringern, wenn das Spiralen zu diesem Punkt länger dauern würde als die Lebensdauer des Universums. Und dann wird das Problem: Wir glauben, dass wir Beweise dafür haben, dass supermassive Schwarze Löcher schon einmal verschmolzen sind und dass es mindestens einen Kandidaten für ein inspirierendes Paar gibt, das viel näher ist, als es sein sollte, ohne dass etwas anderes sie näher bringt.
Warum können supermassereiche Schwarze Löcher nicht verschmelzen? (oder können sie?)
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