Come facciamo a sapere che i buchi neri stanno ruotando?

Come è possibile sapere se un buco nero gira o no?

Se un pianeta gira, puoi vederlo chiaramente ma non riesci davvero a vedere un buco nero.

La prossima cosa sarebbe che la materia interagisce con la materia adiacente e potremmo vedere in quale direzione ruota la materia che circonda il BH (come se girassi una palla sull'acqua, anche l'acqua intorno ruoterebbe nella stessa direzione) ma la materia non può interagire dall'interno dell'orizzonte degli eventi verso l'esterno, quindi la materia proprio all'orizzonte degli eventi interagirebbe semplicemente con la gravità (come se il BH non avesse attrito).

Ora gravità. Penserei che potresti misurare le differenze di gravità se un oggetto di grandi dimensioni non è perfettamente uniforme, ma penso che un BH abbia la stessa attrazione di gravitazione su tutti i lati.

Cosa mi sto perdendo qui? Come si può persino rilevare o determinare mediante l'osservazione che un buco nero sta ruotando, o meglio ancora, misurare la velocità?

Il campo gravitazionale della materia rotante, o un buco nero rotante, fa sì che la materia circostante inizi a girare. Questo si chiama " frame trascinamento " o "gravitomagnetismo", quest'ultimo nome deriva dal fatto che è strettamente analogo all'effetto magnetico delle cariche elettriche in movimento. L'esistenza del gravitomagnetismo è legata alla velocità finita di gravità, quindi non esiste nella gravità newtoniana dove quella velocità è infinita, ma è presente nella relatività generale e per i buchi neri è abbastanza grande da essere rilevabile.

Inoltre, per motivi puramente teorici, ci aspettiamo che tutti i buchi neri ruotino perché un buco nero non rotante è uguale a un buco nero rotante con una velocità angolare esattamente pari a zero, e non vi è alcun motivo per cui la velocità angolare di un buco nero sarebbe esattamente zero. Al contrario, poiché sono molto più piccoli della materia che collassa per produrli, anche un piccolo momento angolare netto casuale della materia che collassa dovrebbe portare a un buco nero che ruota rapidamente. (L'analogia classica per questo è un pattinatore su ghiaccio che gira più velocemente quando tirano le braccia.)

L'orbita circolare più interna più stabile varia a seconda della velocità di rotazione. I dischi di accrescimento si estendono all'ISCO, quindi questo produce cambiamenti osservabili. Da The Spin of Supermassive Black Holes :

$a=1$$r_{isco}=M$$r_{isco}$$r_{isco}=6M$$a=0$$r=9M$$a=−1$

$a$

Il campo gravitazionale di un buco nero dipende sia dalla sua massa che dalla sua rotazione. Ciò ha una serie di conseguenze osservabili:

• Come menzionato nella risposta di Anders Sandberg, esiste un'orbita circolare il più piccola possibile attorno a un buco nero (ISCO), il cui raggio dipende dalla rotazione del buco nero. Quindi, se vedi materia che orbita in un buco nero in un disco di accrescimento, il bordo interno darà un limite inferiore sulla rotazione.
• Quando due buchi neri si fondono, l'oggetto risultante si deposita oscillando ed emettendo onde gravitazionali con una frequenza caractaristica e un tasso di decadimento determinati dalla massa e dallo spin del buco nero finale. Per fusioni forti (come GW150914) questo cosiddetto ringdown può essere misurato, dando una misura diretta della massa e della rotazione del buco nero formato.
• Prima di tale fusione, i giri dei singoli buchi neri influenzeranno l'evoluzione dell'ispiratore, che imprime sulla forma d'onda gravitazionale osservata. Confrontando la forma d'onda osservata con i modelli teoricamente previsti per diversi giri, si può (tentare di) misurare gli giri dei buchi neri uniti. (Pertanto, le fusioni più osservate (pubblicate) potrebbero essere coerenti con entrambi i BH non rotanti.)
• La rotazione di un buco nero influisce anche sul modo in cui devia la luce. Di conseguenza, le immagini dell'ombra di un buco nero come quelle scattate dal telescopio dell'orizzonte degli eventi possono essere utilizzate per determinare la rotazione del buco nero (se ci capita di vederlo sotto l'angolo retto).

Come menzionato nel commento di Rory , un oggetto nello spazio ad un certo punto deve acquisire rotazione. Qualsiasi oggetto ha una gravità e con una velocità di rotazione pari a zero non avrebbe alcun effetto, non appena viene in contatto con un altro oggetto viene impartito un effetto di rotazione.

Mentre è vero, ma è improbabile, che potrebbe essere colpito da un altro oggetto che ha annullato esattamente la sua rotazione, è solo una questione di tempo prima che arrivi ancora un altro oggetto - quindi gli oggetti nello spazio hanno molte più probabilità di girare che no.

Guarda ad esempio il video SXS Collaboration : " Ispirazione e fusione del buco nero binario GW151226 ":

Il momento angolare è l'equivalente rotazionale del momento lineare e di una quantità conservata - il momento angolare totale di un sistema chiuso rimane costante. Maggiore è la densità, più veloce è la rotazione dell'oggetto, per conservare il suo momento angolare.

Per chiunque cerchi ulteriori informazioni includerò questi riferimenti:

• " Inferimento dei giri del buco nero e sondaggio dei flussi di accrescimento / espulsione negli AGN con l'unità di campo integrale dei raggi X di Athena " (6 giugno 2019), di Didier Barret (IRAP) e Massimo Cappi (INAF-OAS):

  " Contesto . I nuclei galattici attivi (AGN) mostrano spettri a raggi X complessi che presentano una varietà di caratteristiche di emissione e assorbimento, che sono comunemente interpretate come una combinazione di i) un componente di riflessione diffuso relativisticamente, risultante dall'irradiazione di un disco di accrescimento da una sorgente di raggi X dura compatta, ii) uno o più componenti di assorbimento caldo / ionizzato prodotti da deflussi guidati da AGN che attraversano il nostro campo visivo e iii) un componente di riflessione non relativistico prodotto da materiale più distante. Districare questi componenti attraverso un modello dettagliato raccordo può quindi essere utilizzato per vincolare il nero spin foro, la geometria e le caratteristiche del flusso di accrescimento, nonché dei deflussi e dintorni del buco nero.
  Scopi. Indaghiamo come uno spettrometro a raggi X ad alta risoluzione ad alta capacità, come la Athena X-ray Integral Field Unit (X-IFU) può essere utilizzato per questo scopo, utilizzando il modello di riflessione all'avanguardia ri-riempire in una configurazione geometrica del lampione .
  Metodi . Simuliamo un campione rappresentativo di spettri AGN, comprese tutte le complessità del modello necessarie, nonché una gamma di parametri del modello che vanno da valori standard a valori più estremi e considerato flussi di raggi X rappresentativi di popolazioni note di AGN e Quasars (QSO). Presentiamo anche un metodo per stimare gli errori sistematici relativi alle incertezze nella calibrazione dell'X-IFU.
  risultati$_g$
  . Le simulazioni presentate qui dimostrano il potenziale dell'X-IFU per capire come sono alimentati i buchi neri e come modellano le loro galassie ospiti. L'accuratezza nel recuperare i parametri del modello fisico codificati nella loro emissione di raggi X è raggiunta grazie alla capacità unica di X-IFU di separare e limitare, restringere e allargare, i componenti di emissione e assorbimento ".

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

  "... i buchi neri sono gli oggetti più semplici della natura, definiti esclusivamente dalla loro carica elettrica (che viene neutralizzata a zero in contesti astrofisici realistici), dalla massa e dal momento angolare.

  ...

  In questa recensione, esaminerò lo stato attuale e la promessa futura delle misurazioni di spin del buco nero. Per gran parte degli ultimi 20 anni, le misure quantitative di spin sono state il dominio dell'astronomia a raggi X e queste tecniche continuano ad essere perfezionate man mano che la qualità dei dati migliora. Con il recente avvento dell'astronomia delle onde gravitazionali, ora abbiamo una finestra completamente nuova e complementare sui buchi neri rotanti. Inoltre, siamo sulla soglia di un altro importante passo avanti, l'imaging diretto dell'ombra dell'orizzonte degli eventi mediante l'interferometria globale Very Long Baseline in banda mm, ovvero l'Event Horizon Telescope (EHT). Stiamo davvero entrando in una discarica per lo studio della fisica del buco nero e della rotazione del buco nero.

  ...

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

  Pagina 3:

  
  Figura 1: Posizione di alcune orbite speciali nel piano equatoriale di un buco nero di Kerr in funzione del parametro di rotazione. Qui è mostrata l'orbita circolare più interna più stabile (linea rossa), l'orbita circolare del fotone (linea blu), il limite statico (linea bianca tratteggiata) e l'orizzonte degli eventi (che delimita l'ombra grigia). Il parametro di spin positivo / negativo corrisponde allo spin che è rispettivamente progrado / retrogrado rispetto alla materia orbitante (o ai fotoni). La linea rossa tratteggiata verticale separa i casi progrado e retrogrado. Le orbite circolari sono stabili al di fuori dell'orbita più interna, ma diventano instabili all'interno di questo raggio (regione indicata da una sfumatura rosso chiaro). Orbite circolari non esistono all'interno dell'orbita circolare del fotone (regione indicata da una solida sfumatura rossa). Per concretezza, si ipotizza un buco nero con 10 masse solari. I raggi per altre masse possono essere ottenuti usando la proporzionalità lineare.

Un modo di pensare al campo gravitazionale al di fuori di un buco nero è che si tratta di una specie di impressione fossile o congelata. Riflette la gravità della materia che si è formata / caduta nel buco nero nel momento in cui è stata "rinchiusa" all'interno dell'orizzonte degli eventi e quindi incapace di influenzare qualsiasi cosa all'esterno, incluso il campo gravitazionale.

Se la materia in quel momento aveva un momento angolare netto, il campo gravitazionale al di fuori del buco nero è diverso. Matematicamente, è descritto dalla soluzione di Kerr alle equazioni di Einstein, invece che dalla soluzione di Schwarzschild. Questa differenza può essere osservata in diversi modi, ad esempio nel comportamento della luce o della materia vicino al buco nero.