Может ли слияние двух вращающихся черных дыр создать еще одну, нарушающую ограничение скорости вращения?

Было замечено, что черная дыра GRS 1915+105 вращается со скоростью, близкой к теоретической максимальной скорости вращения .

Если предположить, что у вас есть две такие черные дыры, вращающиеся по часовой стрелке, а также вращающиеся вокруг друг друга по часовой стрелке, что произойдет, если они сольются? Как новая черная дыра могла избежать нарушения ограничения скорости вращения? Куда пойдет дополнительный угловой момент?

Я должен сказать, что нет ничего, что обязательно ограничивало бы черную дыру от превышения максимальной скорости вращения. Причина, по которой мы верим, что черные дыры этого не делают (или не могут), заключается в том, что это привело бы к «голой сингулярности», которую мы считаем невозможной. Однако, кроме того, что вы никогда не видели такого, ничто не говорит о том, что это на самом деле невозможно.
Возможно, связано: physics.stackexchange.com/questions/277073/…
@зефир спасибо! Ваш ответ был таким подробным, но ваш комментарий подразумевает, что это открытая проблема. Очень интересно подумать, как черные дыры могли знать, что сливающаяся система имеет слишком большой угловой момент. Я бы никогда не представил себе ответ, в котором говорилось бы, что они замедлят свое слияние, чтобы излучать дополнительную энергию. Очаровательный!
Это, безусловно, открытая проблема. Думаю, я просто пытался внушить вам мысль, что большинство концепций, окружающих эту тему, все еще гипотетичны. Они существуют только в уравнениях и физических симуляциях. У нас просто нет данных наблюдений, чтобы фактически проверить большую часть этого. Только год назад мы экспериментально доказали существование гравитационных волн. Однако со временем мы, надеюсь, получим гораздо более глубокое понимание черных дыр.
@zephyr в физическом моделировании, что обеспечивает «трение», которое замедляет слияния, когда угловой момент слишком высок? Какова физическая основа идеи «зависания орбиты»?
Это, вероятно, достаточно хороший вопрос, чтобы быть здесь отдельным вопросом. Увы, вы выходите за пределы моих знаний. Я должен был бы сделать некоторое глубокое чтение, чтобы определить это. Однако я предполагаю, что вращение каким-то образом способствует орбитальному движению (вероятно, из-за перетаскивания кадра), и если оно слишком велико, физически предотвращает слишком близкое сближение объектов, требуя, чтобы сначала была потеряна некоторая энергия, прежде чем черные дыры разрешено объединяться. Но опять же, это полная догадка, так что не верьте мне на слово.

Ответы (2)

Простой ответ заключается в том, что нет, черные дыры не могут слиться в новую черную дыру со спином, превышающим максимально допустимый. Причина в том, что такой акт заставит черную дыру показать нам « голую сингулярность ». Черные дыры имеют горизонт событий, который защищает их сингулярность от наблюдения извне. Чем быстрее они вращаются, тем горизонт событий сужается. В какой-то момент он полностью исчезает, в результате чего сингулярность становится «голой» и доступной для наблюдения во Вселенной. Некоторые считают, что голые сингулярности не могут образовываться, главным образом потому, что если бы они могли, причинность и физика нарушились бы. Эта концепция известна как гипотеза космической цензуры .

Я нашел утверждение по этому поводу в Numerical Relativity: Solving Einstein's Equations on the Computer , которое я считаю уместным (выделено мной).

Вращения черной дыры, которые выровнены с орбитальным угловым моментом, увеличивают общий угловой момент двойной системы. Если этот общий угловой момент превышает максимальный угловой момент черной дыры Керра, то двойная система не может слиться до тех пор, пока не будет излучено достаточное количество углового момента . В целом мы ожидаем, что двойные системы со спинами черных дыр, выровненными с орбитальным угловым моментом, будут сливаться медленнее, чем двойные системы со спинами, которые выровнены в противоположных направлениях. Этот эффект, иногда называемый «зависанием орбиты» , был исследован с помощью численного моделирования.

Одно такое численное моделирование рассматривало выровненные и антивыровненные слияния и обнаружило, что выровненным черным дырам требуется гораздо больше времени, чтобы слиться, и они излучают больше энергии в виде гравитационных волн, прежде чем слиться.

Есть еще один способ сжечь часть этого углового момента вращения. Когда вращающиеся черные дыры сливаются, они испытывают «толчок» в своем линейном импульсе. Другими словами, они внезапно ускоряют свое движение в пространстве. Этот толчок является результатом преобразования некоторых из двух различных орбитальных и вращательных импульсов черных дыр в линейный импульс объединенной черной дыры. Цитируя ту же книгу, что и выше, об этих ударах:

Большинство первоначальных расчетов были сосредоточены на спинах черных дыр, которые выровнены или не выровнены с орбитальным угловым моментом. Результирующие выбросы имеют величину в несколько сотен км/с, что легко превышает максимальный выброс примерно в 175 км/с, характерный для невращающихся черных дыр.

Подводя итог, две вращающиеся черные дыры не могут слиться в черную дыру, которая вращается быстрее, чем максимальное вращение. Гравитационные волны и «толчок» линейного импульса играют важную роль, помогая бинарным черным дырам терять спиновую энергию, так что объединенная черная дыра не превышает максимального вращения.

Я думаю, что действительно интересный вопрос, который следует задать, заключается в том, как две черные дыры узнают перед слиянием, что их слияние не может произойти, поскольку это нарушит гипотезу космической цензуры? Откуда они знают, что им нужно излучать дополнительную энергию, прежде чем они смогут слиться? Какой механизм препятствует их слиянию? Пока только время может сказать.

Я полагаю, что орбитальный угловой момент должен был бы излучаться гравитационными волнами по мере того, как слияние продолжалось. Я не знаю, будет ли излучаться какой-либо из углового момента вращения, или вы все равно получите максимально вращающуюся черную дыру. Это, вероятно, чрезмерное упрощение, следует скептически относиться ко всему, кроме полного расчета. Обратите внимание, например, что мы не хотели бы упускать из виду кинетическую энергию орбиты при расчете массы-энергии системы, поэтому, если часть этой массы-энергии окажется в конечной массе черной дыры, может показаться, что это не так. максимально вращая больше. Итак, хотя я не даю расчетов, я говорю две вещи: 1) орбитальный распад вызовет гравитационные волны, которые могут унести угловой момент, и 2) орбитальная энергия считается массой-энергией для окончательной черной дыры,

Я почти уверен, что угловой момент остается независимым от энергии, поэтому вы не можете обменивать угловой момент и энергию туда и обратно; они оба должны быть сохранены. Но в остальном да: избыточный угловой момент излучается в виде гравитационных волн.
Я не говорил, что вы обмениваете энергию на угловой момент, я говорил, что максимально допустимое отношение углового момента к массе действительно должно быть максимально допустимым отношением углового момента к энергии, включая орбитальную энергию. Так что вам, возможно, не придется избавляться от такого количества углового момента, как вы могли бы подумать.
Может ли слияние двух вращающихся черных дыр создать еще одну, нарушающую ограничение скорости вращения?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v