Bagaimana kita tahu bahwa lubang hitam berputar?

Bagaimana mungkin mengetahui apakah black hole berputar atau tidak?

Jika sebuah planet berputar, Anda dapat melihatnya dengan jelas tetapi Anda tidak dapat benar-benar melihat lubang hitam.

Hal berikutnya adalah bahwa materi berinteraksi dengan materi yang berdekatan dan kita bisa melihat ke arah mana masalah tersebut mengelilingi BH berputar (seperti jika Anda memutar bola di atas air, air di sekitar akan berputar juga dalam arah yang sama) tetapi materi tidak dapat berinteraksi dari dalam horizon peristiwa ke luar, jadi masalah tepat di cakrawala peristiwa hanya akan berinteraksi dengan gravitasi (seperti BH tidak memiliki gesekan).

Sekarang gravitasi. Saya akan berpikir bahwa Anda bisa mengukur perbedaan gravitasi jika benda besar tidak seragam sempurna tetapi saya pikir BH memiliki tarikan gravitasi yang sama di semua sisi.

Apa yang kulewatkan di sini? Bagaimana seseorang dapat mendeteksi atau menentukan dengan pengamatan bahwa lubang hitam berputar, atau lebih baik lagi, mengukur seberapa cepat?

Medan gravitasi benda yang berputar, atau lubang hitam yang berputar, menyebabkan benda di sekitarnya mulai berputar. Ini disebut " frame dragging " atau "gravitomagnetism", nama yang terakhir berasal dari fakta bahwa itu analog dengan efek magnetik dari muatan listrik yang bergerak. Keberadaan gravitomagnetisme terkait dengan kecepatan gravitasi hingga, sehingga tidak ada dalam gravitasi Newton di mana kecepatan itu tak terbatas, tetapi hadir dalam relativitas umum, dan untuk lubang hitam itu cukup besar untuk dapat dideteksi.

Juga, untuk alasan teoretis murni kami berharap bahwa semua lubang hitam berputar karena lubang hitam yang tidak berputar sama dengan lubang hitam berputar dengan kecepatan sudut persis nol, dan tidak ada alasan mengapa kecepatan sudut lubang hitam akan persis nol. Sebaliknya, karena mereka jauh lebih kecil daripada materi yang runtuh untuk menghasilkannya, bahkan momentum sudut net kecil acak dari materi yang runtuh harus mengarah ke black hole yang berputar cepat. (Analogi klasik untuk ini adalah skater es berputar lebih cepat ketika mereka menarik lengan mereka.)

Orbit sirkular stabil terdalam berbeda tergantung pada tingkat rotasi. Disk akresi merentang ke ISCO, jadi ini menghasilkan perubahan yang dapat diamati. Dari The Spin of Black Holes Supermassive :

Untuk $a=1$ (berputar maksimal dalam arti prograd relatif terhadap partikel yang mengorbit), kita memiliki $r_{isco}=M$ . Ini adalah nilai koordinat yang sama seperti yang dimiliki oleh horizon peristiwa tetapi, pada kenyataannya, sistem koordinat adalah singular di lokasi ini dan ada jarak yang tepat terbatas antara kedua lokasi. Sebagai menurun, $r_{isco}$ secara monoton meningkat melalui $r_{isco}=6M$ ketika $a=0$ mencapai maksimum $r=9M$ saat$a=−1$ (putaran retrograde maksimal ke partikel yang mengorbit). Seperti yang kita diskusikan di bawah ini, ISCO menetapkan tepi bagian dalam yang efektif ke disk akresi (setidaknya untuk konfigurasi disk yang akan kita pertimbangkan di sini). Dengan demikian, ketergantungan putaran ISCO secara langsung diterjemahkan menjadi yang dapat diamati bergantung pada spin; saat putaran meningkat dan jari-jari ISCO berkurang, cakram menjadi lebih efisien dalam mengekstraksi / memancarkan energi pengikat gravitasi dari materi pertambahan, cakram menjadi lebih panas, frekuensi temporal yang terkait dengan cakram dalam meningkat, dan pergeseran merah gravitasi dari emisi disk meningkat.

Secara empiris, dengan melihat spektrum disk akresi kita dapat memperkirakan $a$ .

Medan gravitasi lubang hitam tergantung pada massa dan putarannya. Ini memiliki sejumlah konsekuensi yang dapat diamati:

• Seperti yang disebutkan dalam jawaban Anders Sandberg, ada orbit melingkar sekecil mungkin di sekitar lubang hitam (ISCO), yang jari-jarinya tergantung pada putaran lubang hitam. Jadi, jika Anda melihat materi yang mengorbit lubang hitam di disk akresi, tepi bagian dalam akan memberikan batas yang lebih rendah pada putaran.
• Ketika dua lubang hitam bergabung, objek yang dihasilkan mengendap dengan berosilasi dan memancarkan gelombang gravitasi dengan frekuensi karakteristik dan laju peluruhan yang ditentukan oleh massa dan putaran lubang hitam terakhir. Untuk merger yang keras (seperti GW150914) ini yang disebut ringdown dapat diukur, memberikan ukuran langsung dari massa dan putaran lubang hitam yang terbentuk.
• Sebelum penggabungan tersebut, putaran lubang hitam individual akan memengaruhi bagaimana inspirasi berkembang, yang tercetak pada gelombang gravitasi yang diamati. Dengan membandingkan bentuk gelombang yang diamati dengan templat yang diharapkan secara teoritis untuk putaran yang berbeda, seseorang dapat (mencoba) mengukur putaran dari lubang hitam yang bergabung. (Oleh karena itu, merger yang paling banyak diamati (diterbitkan) dapat konsisten dengan kedua BH yang tidak berputar.)
• Putaran lubang hitam juga memengaruhi cara membelokkan cahaya. Akibatnya, gambar bayangan lubang hitam seperti yang diambil oleh teleskop horizon peristiwa dapat digunakan untuk menentukan putaran lubang hitam (jika kita melihatnya di bawah sudut kanan).

Seperti yang disebutkan dalam komentar Rory , sebuah objek di ruang angkasa pada suatu saat harus memperoleh putaran. Benda apa pun memiliki gravitasi, dan dengan laju rotasi nol, benda itu tidak akan memiliki putaran, segera setelah ia menyentuh benda lain, putaran akan diberikan padanya.

Meskipun itu benar, tetapi tidak mungkin, bahwa itu bisa disambar oleh objek lain yang secara tepat membatalkan putarannya, hanya masalah waktu saja sebelum objek lain muncul - oleh karena itu objek di ruang jauh lebih mungkin berputar daripada tidak.

Lihat misalnya video Kolaborasi SXS : " Inspirasi dan penggabungan lubang hitam biner GW151226 ":

Momentum sudut adalah ekuivalen rotasi momentum linear dan kuantitas yang dikonservasi - momentum sudut total dari sistem tertutup tetap konstan. Semakin besar kerapatan, semakin cepat putaran objek, untuk mempertahankan momentum sudutnya.

Bagi siapa pun yang mencari informasi tambahan, saya akan menyertakan referensi ini:

• " Mengintervensi black hole berputar dan menggali arus / pengeluaran ejeksi di AGNs dengan Unit Lapangan Integral Sinar-X Athena " (6 Juni 2019), oleh Didier Barret (IRAP) dan Massimo Cappi (INAF-OAS):

  " Konteks . Active Galactic Nuclei (AGN) menampilkan spektrum sinar-X kompleks yang menunjukkan berbagai fitur emisi dan penyerapan, yang biasanya ditafsirkan sebagai kombinasi dari i) komponen refleksi yang dioleskan secara relativistik, yang dihasilkan dari iradiasi disk akresi oleh sumber sinar-X yang padat, ii) satu atau beberapa komponen penyerapan hangat / terionisasi yang dihasilkan oleh arus keluar yang digerakkan oleh AGN melintasi garis pandang kami, dan iii) komponen refleksi non-relativistik yang dihasilkan oleh bahan yang lebih jauh. pas dengan demikian dapat digunakan untuk membatasi spin hitam lubang, geometri dan karakteristik aliran akresi, serta dari arus keluar dan sekitar lubang hitam.
  Tujuan. Kami menyelidiki bagaimana spektrometer sinar-X resolusi tinggi resolusi tinggi, seperti Athena X-ray Integral Field Unit (X-IFU) dapat digunakan untuk tujuan ini, menggunakan model refleksi seni relxill dalam tiang lampu dengan konfigurasi geometris .
  Metode . Kami mensimulasikan sampel spektra AGN yang representatif, termasuk semua kompleksitas model yang diperlukan, serta serangkaian parameter model yang beralih dari standar ke nilai yang lebih ekstrem, dan mempertimbangkan fluks sinar-X yang mewakili populasi AGN dan Quasar (QSO) yang diketahui. Kami juga menyajikan metode untuk memperkirakan kesalahan sistematis terkait dengan ketidakpastian dalam kalibrasi X-IFU.
  Hasil$_g$
  . Simulasi yang disajikan di sini menunjukkan potensi X-IFU untuk memahami bagaimana lubang hitam didukung dan bagaimana mereka membentuk galaksi inangnya. Akurasi untuk memulihkan parameter model fisik yang dikodekan dalam emisi sinar-X mereka tercapai berkat kemampuan unik X-IFU untuk memisahkan dan membatasi, komponen emisi dan penyerapan yang sempit dan luas, emisi dan penyerapan. "

• " Observing Black Holes Spin " (Mar 27 2019), oleh Christopher S. Reynolds:

  "... lubang hitam adalah objek paling sederhana dari alam, hanya ditentukan oleh muatan listriknya (yang dinetralkan ke nol dalam pengaturan astrofisika realistis), massa, dan momentum sudut.

  ...

  Dalam Ulasan ini, saya akan mensurvei keadaan saat ini dan janji masa depan pengukuran lubang hitam. Selama 20 tahun terakhir, ukuran kuantitatif putaran telah menjadi domain astronomi sinar-X, dan teknik-teknik ini terus disempurnakan seiring dengan peningkatan kualitas data. Dengan munculnya astronomi gelombang gravitasi baru-baru ini, kita sekarang memiliki jendela yang sama sekali baru dan saling melengkapi pada lubang hitam yang berputar. Lebih jauh lagi, kita berdiri di ambang terobosan besar lain, pencitraan langsung bayangan horizon peristiwa oleh mm-band global Very Long Baseline Interferometry, alias, Event Horizon Telescope (EHT). Kami benar-benar memasuki goldenbage untuk mempelajari fisika lubang hitam dan putaran lubang hitam.

  ...

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

  Halaman 3:

  
  Gambar 1: Lokasi beberapa orbit khusus di bidang ekuator lubang hitam Kerr sebagai fungsi dari parameter putaran. Yang ditunjukkan di sini adalah orbit melingkar stabil paling dalam (garis merah), orbit melingkar foton (garis biru), batas statis (garis putih putus-putus), dan horizon peristiwa (yang membatasi bayangan abu-abu). Parameter putaran positif / negatif sesuai dengan putaran yang prograde / retrograde, masing-masing, relatif terhadap materi yang mengorbit (atau foton). Garis merah putus-putus vertikal memisahkan kasus prograde dan retrograde. Orbit sirkular stabil di luar orbit stabil terdalam tetapi menjadi tidak stabil di dalam radius ini (wilayah dilambangkan dengan naungan merah terang). Orbit lingkaran tidak ada interior ke orbit melingkar foton (wilayah dilambangkan dengan shading merah solid). Untuk konkret, lubang hitam 10 massa matahari diasumsikan. Jari-jari untuk massa lain dapat diperoleh dengan menggunakan proporsionalitas linier.

Salah satu cara berpikir medan gravitasi di luar lubang hitam adalah bahwa itu adalah sejenis fosil, atau kesan beku. Ini mencerminkan gravitasi materi yang terbentuk / jatuh ke dalam lubang hitam pada saat ketika ia menjadi "terkunci" di dalam cakrawala peristiwa, dan karenanya tidak dapat mempengaruhi apa pun di luar, termasuk medan gravitasi.

Jika materi pada tahap itu memiliki momentum sudut total, medan gravitasi di luar lubang hitam berbeda. Secara matematis, ini dijelaskan oleh solusi Kerr untuk persamaan Einstein, bukan solusi Schwarzschild. Perbedaan ini dapat diamati dalam beberapa cara, misalnya dalam perilaku cahaya atau materi yang dekat dengan lubang hitam.