Warum würde die Verschmelzung von sich drehenden Schwarzen Löchern innerhalb der Akkretionsscheibe eines supermassiven Schwarzen Lochs dazu führen, dass sie aus der Scheibe "gerade nach oben schießen"?

Lassen Sie mich sehen, ob ich versuchen kann, beide Teile Ihrer Frage zu beantworten. Der Schlüssel ist eine Kombination aus zwei Dingen: 1) Die meisten binären BHs in einer Akkretionsscheibe haben ihre binären Umlaufbahnen in derselben Ebene wie die Akkretionsscheibe, so dass "senkrecht zur binären Ebene" = "senkrecht zur Akkretionsscheibe "; 2) Die effektivste Form des binären Rückstoßes – bei dem, wie Steve Linton feststellte, überschüssiger linearer Impuls durch Gravitationswellen (GWs) weggetragen wird – bewirkt, dass der verschmolzene Überrest in eine Richtung senkrecht zur binären Orbitalebene geschleudert wird.

Für den ersten Teil wird angenommen, dass die Kombination aus einer gasförmigen Akkretionsscheibe und kompakten, massiven Objekten, die innerhalb der Scheibe umkreisen (Sterne, weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher), die Bildung von binären Objekten (einschließlich binärer schwarzer Löcher) beschleunigt -- aber nur für Objekte, die in der Ebene der Akkretionsscheibe kreisen. Da solche Objekte um den zentralen SMBH in derselben Ebene kreisen, werden sie sich gegenseitig in derselben Ebene umkreisen, wenn zwei solche Objekte eine Binärdatei bilden . Sie sollten sich also eine Population von Binärdateien innerhalb dieser Scheibe vorstellen, meistens mit ihren eigenen Umlaufebenen, die mit der Ebene der Akkretionsscheibe ausgerichtet sind. (Beachten Sie, dass es keinen Grund gibt, die Spins zu erwartender einzelnen BHs aufeinander abzustimmen, was später noch wichtig wird.)

Nun betrachten wir den Gravitationsrückstoßeffekt. Das einfachste Szenario – eines, das hier eigentlich nicht relevant ist! -- für die Verschmelzung von binären BHs sind zwei nicht drehende BHs beteiligt. Wenn sie die gleiche Masse haben, dann ist alles symmetrisch und Sie bekommen keinen "Kick". Wenn sie eine ungleiche Masse haben, dann hat die BH mit geringerer Masse eine höhere Umlaufgeschwindigkeit und wird (aufgrund des relativistischen Strahlens) Impuls in Form von GWs in seiner Umlaufrichtung effektiver abgeben als dies bei der massereicheren BH der Fall ist . Das gesamte System gibt also einen Überschuss an (linearem) Impuls in eine Richtung ab, und die Binärdatei prallt zurück, um Impuls zu erhalten. Es gäbe keinen Nettoeffekt, wenn die Umlaufbahnen kreisförmig und unveränderlich wären (denn dann würde der "Jet" des überschüssigen Impulses in den GWs einfach hindurchfegen$360^{\circ}$als die BHs einander umkreisten); Da die Umlaufbahnen jedoch aufgrund der Emission von GWs zerfallen , endet dies mit einer asymmetrischen Nettoemission von Impuls in den GWs, die von einem Rückstoß der verschmelzenden Binärdatei begleitet wird. Aber das liegt in der Ebene der Binärdatei, also würde es nicht den senkrechten Tritt erzeugen, an dem wir interessiert sind. ( Ein schönes Bild aus diesem Artikel finden Sie in diesem Astrobites-Artikel .)

Obwohl der Rückstoß im Fall von nicht rotierenden BHs seit einiger Zeit theoretisch untersucht worden war, zeigten neuere Simulationen (seit etwa 2007), dass, wenn die BHs rotieren würden (was mit ziemlicher Sicherheit fast alle Schwarzen Löcher sind) und ihre Spins falsch ausgerichtet, dann gab es einen zusätzlichen, viel stärkeren Rückstoßeffekt - einen "Superkick". Der Schlüssel ist, dass dieser Rückstoßeffekt dazu führt, dass die verschmelzende Binärdatei in eine Richtung senkrecht zur Orbitalebene der Binärdatei geschleudert wird (siehe diesen Astrobites-Artikelfür eine Diskussion, obwohl es nicht wirklich eine schöne, einfache Erklärung der zugrunde liegenden Ursache bietet). Da, wie oben erwähnt, die Orbitalebene des Binärsystems im Allgemeinen mit der Ebene der Akkretionsscheibe ausgerichtet ist, ist das Endergebnis, dass der Verschmelzungsüberrest ungefähr senkrecht zur Akkretionsscheibe geschleudert wird.

Gravitationswellen tragen den Impuls weg

Aus Wikipedia

Rückstoß bei der Verschmelzung von Schwarzen LöchernEin unerwartetes Ergebnis kann bei verschmelzenden binären Schwarzen Löchern eintreten, indem die Gravitationswellen einen Impuls mit sich führen und das verschmelzende Schwarze-Loch-Paar beschleunigt, was anscheinend gegen Newtons drittes Gesetz verstößt. Der Schwerpunkt kann über 1000 km/s Trittgeschwindigkeit hinzufügen.[30] Die größten Trittgeschwindigkeiten (annähernd 5000 km/s) treten bei Schwarzloch-Doppelsystemen mit gleicher Masse und gleicher Spingröße auf, wenn die Spinrichtungen optimal so ausgerichtet sind, dass sie gegenläufig, parallel zur Umlaufbahnebene oder nahezu ausgerichtet sind Bahndrehimpuls.[31] Das reicht aus, um großen Galaxien zu entkommen. Bei wahrscheinlicheren Orientierungen tritt ein geringerer Effekt auf, vielleicht nur einige hundert Kilometer pro Sekunde. Diese Art von Geschwindigkeit wird verschmelzende binäre Schwarze Löcher aus Kugelsternhaufen ausstoßen und so die Bildung massiver Schwarzer Löcher in Kugelsternhaufen-Kernen verhindern. Dies verringert wiederum die Wahrscheinlichkeit späterer Verschmelzungen und damit die Chance, Gravitationswellen zu entdecken. Bei nicht rotierenden Schwarzen Löchern tritt bei Massen im Verhältnis von fünf zu eins eine maximale Rückstoßgeschwindigkeit von 175 km/s auf. Wenn die Spins in der Bahnebene ausgerichtet sind, ist bei zwei identischen Schwarzen Löchern ein Rückstoß von 5000 km/s möglich.[32]

Die Zitate sind zu

[30] Pietilä, Harri; Heinämäki, Pekka; Mikkola, Seppo; Valtonen, Mauri J. (10. Januar 1996). Anisotrope Gravitationsstrahlung bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern. Relativistische Astrophysik-Konferenz. CiteSeerX 10.1.1.51.2616.

[31] Campanelli, Manuela; Lousto, Carlos; Zlochower, Josef; Merritt, David (7. Juni 2007). "Maximaler Gravitationsrückstoß". Briefe zur körperlichen Überprüfung. 98 (23): 231102. arXiv:gr-qc/0702133. Bibcode:2007PhRvL..98w1102C. doi:10.1103/PhysRevLett.98.231102. PMID 17677894.

[32] Lousto, Carlos; Zlochower, Josef (2011). "Hangup Kicks: Noch größere Rückstöße durch teilweise Spin-Orbit-Ausrichtung von Schwarzloch-Binärdateien". Briefe zur körperlichen Überprüfung. 107 (23): 231102. arXiv:1108.2009. Bibcode:2011PhRvL.107w1102L. doi:10.1103/PhysRevLett.107.231102. PMID 22182078.