¿Podría la fusión de dos agujeros negros en rotación crear otro que rompa el límite de velocidad de rotación?

Se observó que el agujero negro GRS 1915+105 giraba cerca de la velocidad de giro máxima teórica .

Suponiendo que tuviera dos agujeros negros de este tipo girando en el sentido de las agujas del reloj y también orbitando entre sí en el sentido de las agujas del reloj, ¿qué pasaría si se fusionaran? ¿Cómo podría el nuevo agujero negro evitar romper el límite de velocidad de rotación? ¿Adónde iría el momento angular adicional?

Debo decir que no hay nada que restrinja necesariamente que un agujero negro exceda la velocidad máxima de rotación. La razón por la que creemos que los agujeros negros no lo hacen (o no pueden) es porque daría como resultado una "singularidad desnuda" que creemos que es imposible. Sin embargo, además de nunca ver tal cosa, nada sugiere que en realidad sea imposible.
@zephyr gracias! Su respuesta fue muy detallada, pero su comentario implica que es un problema abierto. Es muy interesante pensar cómo los agujeros negros podrían saber que el sistema de fusión tiene demasiado momento angular. Nunca hubiera imaginado una respuesta que dijera que retrasarían su fusión para irradiar la energía extra. ¡Fascinante!
Sin duda es un problema abierto. Creo que solo estaba tratando de inculcarles la idea de que la mayoría de los conceptos que rodean este tema aún son hipotéticos. Solo existen en ecuaciones y simulaciones físicas. Simplemente no tenemos la evidencia observacional para verificar realmente la mayor parte. Solo probamos experimentalmente que las ondas gravitacionales existían hace un año. Sin embargo, con el tiempo, con suerte obtendremos una comprensión mucho más profunda de los agujeros negros.
@zephyr en las simulaciones de física, ¿qué proporciona la "fricción" que ralentiza las fusiones cuando el momento angular es demasiado alto? ¿Cuál es la base física para la idea del "colgado orbital"?
Esa es probablemente una pregunta lo suficientemente buena como para ser su propia pregunta aquí. Por desgracia, te estás aventurando fuera de mi ámbito de conocimiento. Tendría que hacer una lectura profunda para determinar eso. Sin embargo, supongo que el giro contribuye de alguna manera al movimiento orbital (probablemente a través del arrastre del marco) y si es demasiado alto, evita físicamente que los objetos se acerquen demasiado, lo que requiere que se pierda algo de energía antes de los agujeros negros. se les permite fusionarse. Pero de nuevo, eso es una suposición completa, así que no confíes en mi palabra.

Respuestas (2)

La respuesta simple es que no, los agujeros negros no pueden fusionarse en un nuevo agujero negro con un giro mayor que el giro máximo permitido. La razón es que tal acto haría que el agujero negro nos mostrara una " singularidad desnuda ". Los agujeros negros tienen un horizonte de eventos que protege su singularidad de la observación del universo exterior. A medida que giran más rápido, ese horizonte de eventos se reduce. En algún momento, desaparece por completo, lo que hace que la singularidad se "desnude" y sea observable para el universo. Algunos creen que no es posible que se formen singularidades desnudas, principalmente porque si pudieran, la causalidad y la física se derrumbarían. Este concepto se conoce como la hipótesis de la censura cósmica .

Encontré una declaración sobre este asunto en Relatividad numérica: resolver las ecuaciones de Einstein en la computadora , que creo que es relevante (énfasis mío).

Los giros de los agujeros negros que están alineados con el momento angular orbital aumentan el momento angular total del binario. Si este momento angular total excede el momento angular máximo de un agujero negro de Kerr, entonces el binario no puede fusionarse hasta que se haya irradiado una cantidad suficiente de momento angular . En general, esperamos que los binarios con giros de agujeros negros alineados con el momento angular orbital se fusionen más lentamente que los binarios con giros antialineados. Este efecto, a veces denominado "bloqueo orbital" , se ha explorado con simulaciones numéricas.

Una de esas simulaciones numéricas analizó las fusiones alineadas y antialineadas y descubrió que los agujeros negros alineados tardaban mucho más en fusionarse e irradiaban más energía, en forma de ondas gravitacionales, antes de fusionarse.

También hay otra forma de quemar algo de ese momento angular de giro. Cuando los agujeros negros giratorios se fusionan, experimentan una "patada" en su impulso lineal. En otras palabras, de repente aceleran su movimiento a través del espacio. Esta patada es el resultado de convertir algunos de los impulsos orbitales y de giro de los dos agujeros negros distintos en el impulso lineal del agujero negro fusionado. Citando el mismo libro que el anterior con respecto a estas patadas:

La mayoría de los cálculos iniciales se centraron en los giros de los agujeros negros que están alineados o antialineados con el momento angular orbital. Las patadas resultantes tienen una magnitud de varios cientos de km/s, superando fácilmente la patada máxima de aproximadamente 175 km/s que se encuentra en los agujeros negros que no giran.

En resumen, dos agujeros negros giratorios no pueden fusionarse en un agujero negro que gira más rápido que la rotación máxima. Las ondas gravitacionales y la "patada" del momento lineal juegan un papel importante para ayudar a los agujeros negros binarios a perder energía de giro, de modo que el agujero negro fusionado no exceda una rotación máxima.

Creo que la pregunta realmente interesante que debe hacerse es, ¿cómo saben dos agujeros negros, antes de fusionarse, que su fusión no puede ocurrir ya que violaría la hipótesis de la censura cósmica? ¿Cómo saben que necesitan irradiar energía adicional antes de poder fusionarse? ¿Cuál es el mecanismo que impide que se fusionen? Sólo el tiempo puede decir por ahora.

Creo que el momento angular orbital tendría que irradiarse en ondas gravitacionales a medida que avanzaba la fusión. No sé si parte del momento angular de giro también se irradiaría, o si aún terminaría con un agujero negro de rotación máxima. Probablemente sea una simplificación excesiva, uno debe ser escéptico de cualquier cosa que no sea un cálculo completo. Tenga en cuenta, por ejemplo, que no queremos pasar por alto la energía cinética de la órbita cuando calculamos la masa-energía del sistema, por lo que si parte de esa masa-energía termina en la masa final del agujero negro, podría no parecer girando al máximo más. Entonces, aunque no estoy dando un cálculo, estoy diciendo dos cosas: 1) la descomposición orbital producirá ondas gravitacionales que podrían llevarse el momento angular, y 2) la energía orbital cuenta como masa-energía para el último agujero negro,

Estoy bastante seguro de que el momento angular permanece independiente de la energía, por lo que realmente no puedes intercambiar el momento angular y la energía de un lado a otro; ambos tienen que conservarse. Pero por lo demás, sí: el exceso de momento angular se irradia como ondas gravitacionales.
No estaba diciendo que intercambies energía por momento angular, estaba diciendo que la relación máxima permitida de momento angular a masa debe ser realmente una relación máxima permitida de momento angular a energía, incluida la energía orbital. Por lo tanto, es posible que no tenga que deshacerse de tanto momento angular como podría pensar.
¿Podría la fusión de dos agujeros negros en rotación crear otro que rompa el límite de velocidad de rotación?
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