¿Imparten las ondas gravitacionales un momento lineal a los objetos? (por ejemplo, Quasar 3C 186)

Question

Artículo del Washington Post Este agujero negro está siendo empujado alrededor de su galaxia por ondas gravitacionales también incluye un excelente Descripción del vídeo de NASA Goddard (también en YouTube ) de la explicación propuesta del desplazamiento del agujero negro supermasivo de una galaxia desde el centro de la galaxia y de su velocidad de alejamiento. El objeto de este ejemplo es Cúmulo de galaxias, Cuásar 3C 186 . Véase también la noticia de la NASA Una onda gravitacional expulsa un monstruoso agujero negro del núcleo galáctico .

arriba: Imagen del telescopio espacial Hubble que reveló el cuásar fugitivo. (NASA, ESA y M. Chiaberge/STScI y JHU) De aquí .

Se puede encontrar una propuesta de explicación en el preprint de ArXiv Chiaberge et al (2016) El desconcertante QSO 3C 186: ¿un agujero negro en retroceso por ondas gravitacionales en una fuente de radio joven? .

1. 1. Introducción:

[...] Los agujeros negros (BH) en retroceso también pueden ser el resultado de fusiones BH-BH y la emisión anisotrópica asociada de ondas gravitacionales (GW, Peres 1962; Beckenstein et al. 1973). El BH fusionado resultante puede recibir una patada y ser desplazado o incluso expulsado de la galaxia anfitriona (Merritt et al. 2004; Madau & Quataert 2004; Komossa 2012), un proceso que ha sido ampliamente estudiado con simulaciones (Campanelli et al. 2007; Blecha et al. 2011, 2016). Típicamente, para los BHs no giratorios, la velocidad esperada es del orden de unos pocos cientos de km s1, o menos. Trabajos recientes basados en simulaciones numéricas de relatividad han demostrado que es posible que se produzcan supervelocidades de hasta 5000 km s1, pero se espera que sean raras (por ejemplo, Campanelli et al. 2007; Brügmann et al. 2008).

Si entiendo bien la explicación propuesta, si la galaxia se formó como una fusión de dos (o más) galaxias, cada una con un agujero negro central supermasivo, y los dos agujeros negros se fusionan mediante giro por radiación gravitatoria, y si son de masas desiguales, el agujero negro fusionado resultante puede interactuar con las ondas gravitatorias y recibir una "patada", y salir volando en una dirección en lugar de permanecer en el centro de masa de los dos agujeros negros.

Así que parece que las ondas gravitacionales puede impartir impulso lineal a los objetos, pero ¿cómo? ¿Y si una onda procedente de un objeto no relacionado incidiera en un agujero negro distinto, o en un punto de partida, les daría también una "patada", les transferiría algún momento lineal neto a su paso?

Answer 1

El momento que una onda gravitacional (GW) transmite a un objeto siempre será despreciable ( allí mayo mayo ser situaciones en las que la deposición de energía no es despreciable... pero rara vez y francamente improbable). La clave está en el impulso arrastrado por la emisión anisotrópica de GW del objeto sí mismo.

Puedes pensar en esto en términos de la energía emitido en GW puede ser bastante eficaz, por ejemplo, el Evento GW151226 liberado alrededor del 5% de la masa total en reposo del sistema como energía GW (eso es grande). Al mismo tiempo, la El acoplamiento de los GW al material que atraviesan es extremadamente pequeño (la constante de acoplamiento es $G/c^2 \approx 10^{-28}$ ; muy pequeño) .

Patadas luminosas
La forma en que estos BH posteriores a la fusión ( nota: funciona tanto para fusiones de agujeros negros supermasivos o de masa estelar ) reciben sus "patadas" emitiendo GWs (que transportan energía y momento) anisotrópicamente, es decir, preferentemente en una dirección determinada. La forma más sencilla de considerar que esto ocurre es a partir de un sistema de relación de masas desigual, en el que un BH es más masivo que el otro. En un sistema de masas desiguales, cada objeto del binario tiene una velocidad diferente (el de menor masa orbita más rápido). El GW muestra haz relativista ( Yo sólo hojeado este artículo pero también podría ser interesante ), en la que la emisión aumenta a lo largo de la dirección del movimiento como resultado del efecto doppler (relativista). Esto significa que el GW del objeto más pequeño será más emitido que el del objeto más grande. El último aspecto importante a tener en cuenta es que justo antes de la coalescencia, la órbita se encoge rápidamente, y la luminosidad del GW aumenta muy rápidamente. Así, en la fracción de órbita que precede a su fusión, el objeto más pequeño emite el GW más fuerte, irradiado a lo largo de su dirección de movimiento, llevando impulso, que acelera el sistema en la dirección opuesta, dándole finalmente una "patada".

Patadas giratorias
En realidad, las patadas más fuertes no se deben a relaciones de masas desiguales, sino a espines desalineados (hay muchos artículos sobre esto, pero 1 , 2 , 3 me vienen a la mente). Se trata de un efecto más complicado de entender conceptualmente ( y no estoy seguro de entenderlo conceptualmente ), pero la idea básica es que tienes dos objetos densos girando lo suficientemente rápido como para que el giro contenga una fracción significativa de la energía de su masa, y están girando en direcciones casi opuestas antes de la fusión. La dirección el espaciotiempo local a cada BH también está girando rápidamente . Tras la fusión, el nuevo (mono)BH debe tener un único espín. La transición de los dos espines (desalineados) a uno solo, junto con el espaciotiempo local, acaba siendo un proceso violento que puede hacer que el remanente del BH alcance velocidades relativistas. ( ¿Quizá sea como lanzar un palo a los radios de una rueca? ).