Откуда мы знаем, что черные дыры вращаются?

Как можно узнать, вращается черная дыра или нет?

Если планета вращается, вы можете видеть это ясно, но вы не можете видеть черную дыру.

Следующим шагом будет взаимодействие материи с соседней материей, и мы сможем увидеть, в каком направлении вращается материя, окружающая ЧД (например, если вы вращаете шар на воде, вода вокруг тоже вращается в том же направлении), но материя не может взаимодействовать. изнутри горизонта событий наружу, поэтому материя прямо на горизонте событий будет просто взаимодействовать с гравитацией (как у ЧД нет трения).

Теперь гравитация. Я думаю, что вы могли бы измерить разницу в гравитации, если крупный объект не совсем однороден, но я думаю, что ЧД имеет одинаковое гравитационное притяжение со всех сторон.

Что мне здесь не хватает? Как можно даже обнаружить или определить путем наблюдения, что черная дыра вращается, или, еще лучше, измерить, насколько быстро?

Гравитационное поле вращающейся материи или вращающейся черной дыры приводит к тому, что вещество вокруг нее начинает вращаться. Это называется « перетаскивание рамки » или «гравитомагнетизм», последнее название происходит из-за того, что оно очень похоже на магнитный эффект движущихся электрических зарядов. Существование гравитомагнетизма связано с конечной скоростью гравитации, поэтому она не существует в ньютоновской гравитации, где эта скорость бесконечна, но она присутствует в общей теории относительности, а для черных дыр она достаточно велика, чтобы ее можно было обнаружить.

Кроме того, по чисто теоретическим причинам мы ожидаем, что все черные дыры вращаются, потому что не вращающаяся черная дыра - это то же самое, что черная вращающаяся дыра с угловой скоростью, равной нулю, и нет никаких причин, по которым угловая скорость черной дыры будет точно нуль. Напротив, поскольку они намного меньше, чем вещество, которое разрушается, чтобы произвести их, даже маленький, случайный суммарный момент импульса коллапсирующего вещества должен привести к быстро вращающейся черной дыре. (Классическая аналогия для этого - конькобежец, вращающийся быстрее, когда они тянут руки).

Внутренняя устойчивая круговая орбита отличается в зависимости от скорости вращения. Аккреционные диски тянутся к ISCO, так что это приводит к заметным изменениям. От вращения сверхмассивных черных дыр :

Для получения $a=1$ (максимального спина в Prograde смысл по отношению к орбите частице), имеет $r_{isco}=M$ . Это то же самое значение координаты, которым обладает горизонт событий, но на самом деле система координат является единственной в этом месте, и существует конечное правильное расстояние между двумя местоположениями. В качестве уменьшается, $r_{isco}$ монотонно возрастает через $r_{isco}=6M$ , когда = 0 , чтобы достигнуть максимума г = 9$a=0$$r=9M$ при$a=−1$ (максимальный спин ретроградный относительно орбитальной частицы). Как мы обсудим ниже, ISCO устанавливает эффективный внутренний край для аккреционного диска (по крайней мере для конфигураций диска, которые мы здесь рассмотрим). Таким образом, спиновая зависимость ISCO непосредственно переводится в спин-зависимые наблюдаемые; с увеличением спина и уменьшением радиуса ISCO диск становится более эффективным при извлечении / излучении энергии гравитационного связывания аккрецирующего вещества, диск становится более горячим, временные частоты, связанные с внутренним диском, увеличиваются, а гравитационные красные смещения эмиссия диска увеличена.

Опытным путем, глядя на спектры аккреционных дисков, мы можем оценить $a$ .

Гравитационное поле черной дыры зависит как от ее массы, так и от ее спина. Это имеет ряд наблюдаемых последствий:

• Как уже упоминалось в ответе Андерса Сандберга, вокруг черной дыры (ISCO) существует наименьшая круговая орбита, радиус которой зависит от спина черной дыры. Итак, если вы видите материю, вращающуюся вокруг черной дыры в аккреционном диске, внутренний край даст нижнюю границу спина.
• Когда две черные дыры сливаются, результирующий объект оседает, осциллируя и испуская гравитационные волны с характерной частотой и скоростью затухания, определяемой массой и вращением конечной черной дыры. Для громких слияний (таких как GW150914) может быть измерено это так называемое кольцевое переключение, дающее прямое измерение массы и вращения образовавшейся черной дыры.
• Перед таким слиянием спины отдельных черных дыр будут влиять на то, как развивается вдох, что влияет на наблюдаемую гравитационную форму волны. Сравнивая наблюдаемую форму волны с теоретически ожидаемыми шаблонами для разных спинов, можно (попытаться) измерить спины сливающихся черных дыр. (Таким образом, большинство наблюдаемых (опубликованных) слияний могут быть совместимы с тем, что обе ЧД не вращаются.)
• Вращение черной дыры также влияет на то, как она отклоняет свет. Следовательно, изображения тени черной дыры, такие как полученные телескопом горизонта событий, могут быть использованы для определения вращения черной дыры (если мы увидим ее под прямым углом).

Как упомянуто в комментарии Рори , объект в космосе должен в какой-то момент времени обрести вращение. Любой объект имеет гравитацию, и с нулевой скоростью вращения он не будет вращаться, как только он соприкасается с другим вращением объекта, ему придают вращение.

Хотя это правда, но маловероятно, что он может быть поражен другим объектом, который точно отменил его вращение, это всего лишь вопрос времени, прежде чем появится еще один объект - поэтому объекты в космосе гораздо чаще вращаются, чем нет.

См., Например, видео SXS Collaboration : « Вдохновение и слияние бинарной черной дыры GW151226 »:

Момент импульса является вращательным эквивалентом линейного импульса и его сохраняемой величины - суммарный момент импульса замкнутой системы остается постоянным. Чем больше плотность, тем быстрее вращается объект, чтобы сохранить его угловой момент.

Для тех, кто ищет дополнительную информацию, я включу эти ссылки:

• « Вывод спинов черной дыры и исследование аккреционных / эжекционных потоков в AGN с помощью рентгеновского интегрального полевого блока Athena » (6 июня 2019 г.), Дидье Барре (IRAP) и Массимо Каппи (INAF-OAS):

  « Контекст . Активные Ядра Галактики (AGN) отображают сложные рентгеновские спектры, которые демонстрируют различные характеристики излучения и поглощения, которые обычно интерпретируются как комбинация i) релятивистски размытого компонента отражения, возникающего в результате облучения аккреционного диска компактный источник жесткого рентгеновского излучения, ii) один или несколько компонентов теплого / ионизированного поглощения, создаваемых управляемыми AGN оттоками, пересекающими нашу линию обзора, и iii) нерелятивистский компонент отражения, создаваемый более удаленным материалом. Распутывание этих компонентов с помощью детальной модели фитинг , таким образом , может быть использована , чтобы ограничить вращение черной дыры, геометрию и характеристики аккреционного потока, а также из оттоков и окрестности черной дыры.
  Цели, Мы исследуем, как для этой цели можно использовать высокопроизводительный рентгеновский спектрометр высокого разрешения, такой как рентгеновский интегральный полевой модуль (X-IFU) Athena, используя современную модель отражения relxill в геометрической конфигурации фонарного столба ,
  Методы . Мы моделируем репрезентативную выборку спектров AGN, включая все необходимые сложности модели, а также диапазон параметров модели, переходящих от стандартных к более экстремальным значениям, и рассматриваем потоки рентгеновского излучения, которые представляют известные популяции AGN и квазаров (QSO). Мы также представляем метод для оценки систематических ошибок, связанных с неопределенностью в калибровке X-IFU.
  Полученные результаты$_g$
  , Моделирование, представленное здесь, демонстрирует потенциал X-IFU, чтобы понять, как питаются черные дыры и как они формируют свои галактики. Точность восстановления параметров физической модели, закодированных в их рентгеновском излучении, достигается благодаря уникальной способности X-IFU разделять и ограничивать узкие и широкие компоненты излучения и поглощения ".

• « Наблюдение за вращением черных дыр » (27 марта 2019 г.), автор Кристофер С. Рейнольдс:

  «... черные дыры являются простейшими объектами природы, определяемыми исключительно их электрическим зарядом (который нейтрализован до нуля в реальных астрофизических условиях), массой и угловым моментом.

  ...

  В этом обзоре я рассмотрю текущее состояние и будущие перспективы измерений спина черной дыры. В течение большей части последних 20 лет количественные измерения вращения были областью рентгеновской астрономии, и эти методы продолжают совершенствоваться по мере улучшения качества данных. С недавним появлением гравитационно-волновой астрономии у нас теперь есть совершенно новое и дополнительное окно для вращающихся черных дыр. Кроме того, мы стоим на пороге еще одного важного прорыва, прямой визуализации тени горизонта событий с помощью глобальной интерферометрии с очень длинной базовой линией в мм-диапазоне, или телескопа горизонта событий (EHT). Мы действительно входим в золотую пустыню для изучения физики черной дыры и вращения черной дыры.

  ...

  
  $M$$J$$a = cJ/GM^2$$c$$G$$M$$a$
  $|a| > 1$

  Страница 3:

  
  Рисунок 1: Расположение некоторых особых орбит в экваториальной плоскости черной дыры Керра в зависимости от параметра спина, Здесь показаны внутренняя стабильная круговая орбита (красная линия), круговая орбита фотона (синяя линия), статический предел (пунктирная белая линия) и горизонт событий (ограничивающий серую тень). Параметр положительного / отрицательного вращения соответствует вращению, которое является проградным / ретроградным, соответственно, относительно вращающегося вещества (или фотонов). Вертикальная пунктирная красная линия отделяет проградные и ретроградные корпуса. Круговые орбиты стабильны за пределами самой внутренней стабильной орбиты, но становятся нестабильными внутри этого радиуса (область, обозначенная светло-красной штриховкой). Круговые орбиты не существуют внутри круговой орбиты фотона (область обозначена сплошной красной штриховкой). Для конкретности предполагается черная дыра из 10 масс Солнца. Радиусы для других масс могут быть получены с использованием линейной пропорциональности.

Один из способов думать о гравитационном поле за пределами черной дыры состоит в том, что это своего рода ископаемое или застывшее впечатление. Он отражает гравитацию вещества, которое образовалось / упало в черную дыру в тот момент, когда оно стало «запертым» внутри горизонта событий и таким образом неспособным повлиять на что-либо снаружи, включая гравитационное поле.

Если материя на этой стадии имела суммарный угловой момент, гравитационное поле вне черной дыры отличается. Математически он описывается решением Керра для уравнений Эйнштейна, а не решением Шварцшильда. Это различие можно наблюдать несколькими способами, например, в поведении света или вещества вблизи черной дыры.