Почему слияние вращающихся черных дыр внутри аккреционного диска сверхмассивной черной дыры заставляет их «выстреливать прямо вверх» из диска?

Позвольте мне посмотреть, смогу ли я попытаться ответить на обе части вашего вопроса. Ключом является комбинация двух вещей: 1) Большинство двойных ЧД в аккреционном диске будут иметь свои двойные орбиты в той же плоскости, что и аккреционный диск, так что «перпендикулярно бинарной плоскости» = «перпендикулярно аккреционному диску». "; 2) Наиболее эффективная форма бинарной отдачи, при которой, как заметил Стив Линтон, избыточный линейный импульс уносится гравитационными волнами (ГВ), вызывает отбрасывание объединенного остатка в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты бинарной системы.

Во-первых, считается, что комбинация газового аккреционного диска и компактных массивных объектов, вращающихся внутри диска (звезды, белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры), ускоряет формирование двойных объектов (включая двойные черные дыры) — но только для объектов, обращающихся в плоскости аккреционного диска. Поскольку такие объекты вращаются вокруг центральной сверхмассивной черной дыры в одной и той же плоскости, когда два таких объекта образуют двойную систему, они, как правило, в конечном итоге вращаются вокруг друг друга в одной плоскости. Таким образом, вы должны представить себе популяцию двойных звезд внутри этого диска, в основном с плоскостями орбит, выровненными с плоскостью аккреционного диска. (Обратите внимание, что нет причин ожидать, что спиныотдельных ЧД должны быть выровнены друг с другом, что будет важно позже.)

Теперь рассмотрим эффект гравитационной отдачи. Самый простой сценарий - тот, который на самом деле здесь не актуален! -- для бинарных ЧД слияние включает две невращающиеся ЧД. Если они равны по массе, то все симметрично и "пинка" не будет. Если они неравны по массе, то менее массивная ЧД имеет более высокую орбитальную скорость и будет (из-за релятивистского излучения) отдавать импульс в виде ГВ в своем орбитальном направлении эффективнее, чем более массивная ЧД. . Таким образом, вся система испускает избыточный (линейный) импульс в одном направлении, и двойная система отскакивает, чтобы сохранить импульс. Чистого эффекта не было бы, если бы орбиты были круговыми и неизменяющимися (потому что тогда «струя» избыточного импульса в ГВ просто пронеслась бы через$360^{\circ}$когда ЧД вращались вокруг друг друга); но поскольку орбиты затухают из -за излучения ГВ, вы в конечном итоге получаете чистое асимметричное излучение импульса в ГВ, сопровождаемое отдачей сливающейся двойной системы. Но это в плоскости двоичного файла, поэтому интересующий нас перпендикулярный толчок не будет получен .

Хотя отдача в случае невращающихся ЧД некоторое время изучалась теоретически, недавнее моделирование (начиная примерно с 2007 г.) показало, что если ЧД вращаются ( как почти наверняка вращаются почти все черные дыры) и их спины выравнивались, то возникал дополнительный, гораздо более сильный эффект отдачи - "суперудар". Суть в том, что этот эффект отдачи приводит к тому, что сливающийся бинарник отбрасывается в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты бинарника (см. эту статью Astrobites).для обсуждения, хотя на самом деле он не предлагает хорошего и простого объяснения основной причины). Поскольку, как отмечалось выше, плоскость орбиты двойной системы обычно выровнена с плоскостью аккреционного диска, конечным результатом является то, что остаток от слияния отбрасывается примерно перпендикулярно аккреционному диску.

Гравитационные волны уносят импульс

Из википедии

Отдача от слияния черных дырПри слиянии двойных черных дыр может произойти неожиданный результат: гравитационные волны несут импульс, и сливающаяся пара черных дыр ускоряется, по-видимому, нарушая третий закон Ньютона. Центр тяжести может добавить более 1000 км/с ударной скорости.[30] Наибольшие ударные скорости (приближающиеся к 5000 км/с) имеют место для двойных черных дыр с одинаковой массой и величиной спина, когда направления спинов оптимально ориентированы, чтобы быть выровненными в противоположные стороны, параллельными плоскости орбиты или почти выровненными с плоскостью орбиты. орбитальный угловой момент.[31] Этого достаточно, чтобы избежать больших галактик. При более вероятных ориентациях имеет место меньший эффект, возможно, всего несколько сотен километров в секунду. Такая скорость будет выбрасывать сливающиеся двойные черные дыры из шаровых скоплений, тем самым предотвращая образование массивных черных дыр в ядрах шаровых скоплений. В свою очередь, это снижает вероятность последующих слияний и, следовательно, вероятность обнаружения гравитационных волн. Для невращающихся черных дыр максимальная скорость отдачи 175 км/с возникает при соотношении масс пять к одному. Когда спины выровнены в плоскости орбиты, возможна отдача 5000 км/с с двумя идентичными черными дырами.[32]

Цитаты относятся к

[30] Пиетила, Харри; Хейнямяки, Пекка; Миккола, Сеппо; Валтонен, Маури Дж. (10 января 1996 г.). Анизотропное гравитационное излучение при слиянии черных дыр. Конференция по релятивистской астрофизике. CiteSeerX 10.1.1.51.2616.

[31] Кампанелли, Мануэла; Лусто, Карлос; Злохауэр, Йосеф; Мерритт, Дэвид (7 июня 2007 г.). «Максимальная гравитационная отдача». Письма о физическом обзоре. 98 (23): 231102. arXiv:gr-qc/0702133. Бибкод: 2007PhRvL..98w1102C. doi: 10.1103/PhysRevLett.98.231102. ПМИД 17677894.

[32] Лусто, Карлос; Злохауэр, Йосеф (2011). «Удары по зависанию: еще большая отдача за счет частичного выравнивания спин-орбиты двоичных файлов черных дыр». Письма о физическом обзоре. 107 (23): 231102. Архив: 1108.2009. Бибкод: 2011PhRvL.107w1102L. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.231102. ПМИД 22182078.