El "problema" final del parsec

Muchas y quizás todas las galaxias parecen contener agujeros negros supermasivos de aproximadamente 10 7 METRO ⊙ en sus centros. Determinar sus orígenes es de gran interés astrofísico.

En lo que entiendo que es la teoría preferida actualmente de la "fusión jerárquica", los agujeros negros supermasivos se agrandan con el tiempo a través de fusiones repetidas entre agujeros más pequeños, por ejemplo, durante fusiones galácticas. Esto requiere un mecanismo natural que disipe la energía orbital y el momento angular entre los agujeros de modo que se fusionen genéricamente en mucho menos tiempo que el Hubble.

Cuando los agujeros están muy separados (mucho más que un parsec), existe un mecanismo de este tipo en forma de arrastre de gas (EDITAR: el mecanismo real aquí es la fricción dinámica; gracias a Chris White por señalar esto). Y cuando están muy cerca, la reacción de radiación gravitatoria cobra importancia. Pero a distancias de alrededor de un parsec, los agujeros no parecen unirse y, según la teoría actual, nunca deberían fusionarse. Por lo tanto, el "problema del parsec final": ¿cómo acercamos los agujeros lo suficiente como para que ocurra una fusión?

Sin embargo, que yo sepa, en realidad no hay evidencia de que los agujeros negros se fusionen alguna vez . Un gran enjambre de pequeños agujeros negros separados por un parsec sería igualmente compatible con la observación. O bien, algún proceso que no sea la fusión jerárquica podría explicar los agujeros. Así que parece que este "problema" tiene más que ver con las carreras de los científicos de ondas gravitacionales que con cualquier dificultad real en astrofísica. ¿O estoy siendo injusto?

A juzgar por el final de su pregunta, parece estar despotricando contra el nombre de la idea en cuestión. No estoy seguro de si piensas o no que el problema es un problema o no lo es. No está claro lo que estás tratando de decir.
A distancias muy grandes, es la fricción dinámica, no el arrastre de gas, lo que une a los agujeros negros. Además, un gran enjambre de agujeros negros sería increíblemente inestable dinámicamente; muy rápidamente, algunos serían expulsados ​​mientras que el resto se fusionaría.
@ HDE226868 Estoy preguntando en qué sentido este problema comúnmente mencionado en astrofísica es un problema, ya que al menos en su presentación más común no parece implicar ninguna paradoja real.
@ChrisWhite ¿Por qué serían inestables? ¿No es el punto central de la supuesta paradoja que aún no están lo suficientemente cerca como para afectarse de manera significativa entre sí dinámicamente en escalas de tiempo inferiores al Hubble? Serían, por supuesto, inestables en separaciones binarias , pero todo el problema es que no podemos averiguar cómo acercarlos tanto.
Júpiter no va a caer en el Sol. Pero si hubiera 20 Júpiter dentro de las 5 UA del Sol, muchos de ellos caerían.
@ChrisWhite Claro, lo compro. Pero el espacio de fase a 1 parsec es mucho más grande, y supongo que no es obvio para mí que las cosas deban escalar. Si realmente sientes que sí, te creeré, pero incluso si no creemos en los enjambres, no estoy seguro de que esto resuelva el problema: como notas, los efectos de N-cuerpo también podrían expulsar el agujeros Entonces, uno podría interpretar el problema final del parsec + la inestabilidad del enjambre como evidencia en contra de que las fusiones jerárquicas sean el origen de los SMBH.
Creo que estás siendo justo. No hay evidencia real de que los agujeros negros se fusionen alguna vez. DilithiumMatrix proporcionó alguna evidencia circunstancial indirecta, pero no es del todo convincente. Me atrevería a sugerir que cuando aborda el tema desde una dirección diferente, el "problema" desaparece. En mi humilde opinión, el enfoque implica obtener una comprensión intuitiva de GR, aplicar eso a los agujeros negros estelares y luego cambiar las cosas y pensar en el universo primitivo. Algunos otros "problemas" también desaparecen.
Actualice también a @JohnDuffield: ahora hay evidencia sólida de una medición directa de la fusión de agujeros negros, por lo que el problema se ha resuelto (experimentalmente).
@Danu: tenga en cuenta el "el" en mi comentario, y que esta pregunta se refiere a los agujeros negros supermasivos. Tenemos buena evidencia de púlsares binarios en descomposición , no creo que haya mucho problema con la fusión de agujeros negros estelares.
@Danu Desde una perspectiva astrofísica, si los agujeros negros supermasivos se fusionan es una pregunta cualitativamente diferente de si los de masa estelar lo hacen: los binarios de agujeros negros supermasivos se crean (presumiblemente) durante las fusiones galácticas, mientras que los de masa estelar (presumiblemente) se forman como binarios en la primera lugar. Esta pregunta se refiere a binarios supermasivos; LIGO vio una fusión masiva estelar.

Respuestas (1)

Gran pregunta.

1) Hay evidencia indirecta (y circunstancial) de que sí se fusionan . Si bien hay algunos ejemplos famosos de AGN aparentemente 'binarios' (o más exactamente 'dual') (por ejemplo , Komossa+2003 , o Rodríguez+2006 ), parece haber una escasez muy notoria de tales sistemas, lo que sugiere que no No paso mucho tiempo en separaciones observables. Tenga en cuenta que "observable" no significa necesariamente que se pueda resolver (ópticamente), ya que VLBI también ha encontrado muy pocos binarios, y también hay métodos espectroscópicos que deberían ser másmás sensibles cuanto más cerca están los sistemas. Además, la gente ha sugerido que la estrechez de la relación M-sigma sugiere que los binarios BH se fusionan de manera efectiva. Finalmente, todas las observaciones bien limitadas de BH (p. ej., a través de perfiles de velocidad estelar) pueden descartar de manera bastante confiable la presencia de compañeros masivos.

2) Cada vez hay más razones teóricas para creer que el 'problema del parsec final' no es tan malo como se pensaba anteriormente. Una de las mejores revisiones del tema es la de Merritt y Milosavljević 2009 .

En las escalas de parsecs, el mecanismo dominante de 'endurecimiento' (que acerca el binario) es a través de la dispersión de estrellas individuales en el llamado 'cono de pérdida'. Si toma el modelo analítico más simple para el cono de pérdida, de una distribución isotrópica de estrellas esféricamente simétrica, entonces el cono de pérdida se 'agota' rápidamente: solo hay una pequeña cantidad de estrellas que pueden dispersarse con el binario, y una vez que lo hacen, el cono de pérdida está 'vacío' y se rellena muy lentamente. Los modelos más realistas, que tienen en cuenta las perturbaciones de los sistemas anisotrópicos y no esféricos, sugieren que el cono de pérdida se puede rellenar de forma mucho más rápida y eficiente.

Además, la importancia del arrastre de gas local en las escalas binarias parsec y subparsec parece ser mucho más significativa de lo que se pensaba originalmente. Esto se debe a dos razones: i) grandes cantidades de gas denso adicional parecen canalizarse hacia el centro galáctico durante las fusiones. ii) la formación de un disco gaseoso circumbinario puede ser mucho más eficaz en la extracción de energía orbital/momento angular de lo que se pensó inicialmente (por ejemplo , Cuadra+2009 , MacFadyen y Milosavljević 2008 ).

En este momento, todos los modelos teóricos sugieren que una fracción muy grande de los binarios de MBH debería fusionarse de manera muy efectiva, es decir, en escalas de tiempo inferiores a aproximadamente 10 8 años. Incluso modificaciones bastante sustanciales a las perillas de estos modelos, no parecen cambiar la conclusión básica de que estamos a punto de detectar sistemas binarios MBH con Pulsar Timing Arrays (PTA). La única gran advertencia a esto, en mi opinión , es que el rango de frecuencia al que los PTA son más sensibles, en realidad podría estar en las frecuencias donde los binarios MBH pasan menos tiempo. Sin embargo, ninguno de los modelos que he visto sugiere que debamos preocuparnos demasiado por eso.

Todo esto es un área de investigación extremadamente activa, y tanto las observaciones como los modelos teóricos son muy difíciles de realizar, pero con suerte veremos un progreso emocionante en ambos frentes muy pronto.

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