Extremt massförhållande inspirerande
Inom astrofysik är ett extremt massförhållande inspiral ( EMRI ) omloppsbanan för ett relativt lätt föremål runt ett mycket tyngre (med en faktor 10 000 eller mer) föremål, som gradvis rör sig i spiral på grund av emissionen av gravitationsvågor . Sådana system kommer sannolikt att finnas i galaxernas centrum, där kompakta objekt från stjärnmassan, som svarta stjärnhål och neutronstjärnor , kan hittas kretsar kring ett supermassivt svart hål . I fallet med ett svart hål i omloppsbana runt ett annat svart hål är detta ett binärt svart hål med extremt massförhållande . Termen EMRI används ibland som en stenografi för att beteckna den emitterade gravitationsvågformen såväl som själva omloppsbanan.
Den främsta anledningen till det vetenskapliga intresset för EMRI är att de är en av de mest lovande källorna för gravitationsvågastronomi med framtida rymdbaserade detektorer som Laser Interferometer Space Antenna ( LISA). Om sådana signaler upptäcks framgångsrikt kommer de att möjliggöra noggranna mätningar av det centrala objektets massa och rörelsemängd, vilket i sin tur ger avgörande input för modeller för bildandet och utvecklingen av supermassiva svarta hål. Dessutom tillhandahåller gravitationsvågssignalen en detaljerad karta över rumtidsgeometrin som omger det centrala objektet, vilket möjliggör oöverträffade tester av förutsägelserna av allmän relativitet i den starka gravitationsregimen.
Översikt
Vetenskaplig potential
Om den upptäcks framgångsrikt kommer gravitationsvågssignalen från en EMRI att bära en mängd astrofysiska data. EMRI:s utvecklas långsamt och slutför många (~10 000) cykler innan de slutligen störtar. Därför kodar gravitationsvågssignalen en exakt karta över rumtidsgeometrin för det supermassiva svarta hålet. Följaktligen kan signalen användas som ett noggrant test av förutsägelserna av allmän relativitet i regimen med stark gravitation; en regim där allmän relativitet är helt oprövad. I synnerhet är det möjligt att testa hypotesen att det centrala objektet verkligen är ett supermassivt svart hål med hög noggrannhet genom att mäta gravitationsfältets kvadrupolmoment med en noggrannhet av en bråkdel av en procent.
Dessutom kommer varje observation av ett EMRI-system att möjliggöra en noggrann bestämning av systemets parametrar, inklusive:
- Massan och rörelsemängden för det centrala objektet med en noggrannhet av 1 på 10 000. Genom att samla in statistik över massan och rörelsemängden för ett stort antal supermassiva svarta hål bör det vara möjligt att svara på frågor om deras bildande. Om vinkelmomentet för de supermassiva svarta hålen är stort, så har de förmodligen förvärvat det mesta av sin massa genom att svälja gas från deras ansamlingsskiva . Måttliga värden på rörelsemängden indikerar att föremålet med största sannolikhet bildas från sammanslagning av flera mindre föremål med en liknande massa, medan låga värden indikerar att massan har växt genom att svälja mindre föremål som kommer in från slumpmässiga håll.
- Massan av det kretsande föremålet med en noggrannhet av 1 på 10 000. Populationen av dessa massor skulle kunna ge intressanta insikter om populationen av kompakta objekt i galaxernas kärnor.
- Banans excentricitet ( 1 på 10 000) och (cosinus för) lutningen (1 på 100-1000). Statistiken för värdena som rör omloppsbanans form och orientering innehåller information om dessa objekts bildningshistorik. (Se avsnittet Formation nedan.)
- Ljusstyrkans avstånd (5 i 100) och position (med en noggrannhet på 10 −3 steradian ) för systemet. Eftersom formen på signalen kodar de andra parametrarna i systemet vet vi hur stark signalen var när den sänds ut. Följaktligen kan man sluta sig till systemets avstånd från den observerade styrkan hos signalen (eftersom den minskar med tillryggalagd sträcka). Till skillnad från andra sätt att bestämma avstånd i storleksordningen flera miljarder ljusår, är bestämningen helt fristående och förlitar sig inte på den kosmiska avståndsstegen . Om systemet kan matchas med en optisk motsvarighet, ger detta ett helt oberoende sätt att bestämma Hubble-parametern på kosmiska avstånd.
- Testar giltigheten av Kerr-förmodan. Denna hypotes säger att alla svarta hål är roterande svarta hål av Kerr- eller Kerr-Newman- typerna.
Bildning
Man tror för närvarande att centra för de flesta (stora) galaxer består av ett supermassivt svart hål med 10 6 till 10 9 solmassor ( M ☉ ) omgivet av en klunga av 10 7 till 10 8 stjärnor kanske 10 ljusår i diameter, kallad kärnan. Banorna för objekten runt det centrala supermassiva svarta hålet störs kontinuerligt av tvåkroppsinteraktioner med andra objekt i kärnan, vilket ändrar formen på omloppsbanan. Ibland kan ett föremål passera tillräckligt nära det centrala supermassiva svarta hålet för att dess omloppsbana ska kunna producera stora mängder gravitationsvågor , vilket avsevärt påverkar omloppsbanan. Under specifika förhållanden kan en sådan omloppsbana bli en EMRI.
För att bli en EMRI måste bakreaktionen från emissionen av gravitationsvågor vara den dominerande korrigeringen till omloppsbanan (jämfört med till exempel tvåkroppsinteraktioner). Detta kräver att de kretsande föremålen passerar mycket nära det centrala supermassiva svarta hålet. En konsekvens av detta är att det inspirerande föremålet inte kan vara en stor tung stjärna, eftersom det kommer att slitas isär av tidvattenkrafterna .
Men om objektet passerar för nära det centrala supermassiva svarta hålet, kommer det att göra ett direkt dopp över händelsehorisonten . Detta kommer att producera en kort våldsam skur av gravitationsstrålning som skulle vara svår att upptäcka med för närvarande planerade observatorier. Följaktligen kräver skapandet av EMRI en fin balans mellan objekt som passerar för nära och för långt från det centrala supermassiva svarta hålet. För närvarande är de bästa uppskattningarna att ett typiskt supermassivt svart hål på 10 6 M ☉ , kommer att fånga en EMRI en gång vart 10 6 till 10 8 år. Detta gör det osannolikt att bevittna en sådan händelse i vår Vintergatan. Ett rymdbaserat gravitationsvågsobservatorium som LISA kommer dock att kunna detektera EMRI-händelser upp till kosmologiska avstånd, vilket leder till en förväntad detekteringshastighet någonstans mellan några och några tusen per år.
Extrema massförhållande inspiraler skapade på detta sätt tenderar att ha mycket stora excentriciteter ( e > 0,9999). De initiala banorna med hög excentricitet kan också vara en källa till gravitationsvågor, som avger en kort skur när det kompakta föremålet passerar genom periapsis. Dessa gravitationsvågsignaler är kända som extrema massförhållandeskurar. När omloppsbanan krymper på grund av emissionen av gravitationsvågor blir den mer cirkulär. När den har krympt tillräckligt för att gravitationsvågorna ska bli starka och frekventa nog för att kontinuerligt kunna detekteras av LISA, kommer excentriciteten typiskt att vara runt 0,7. Eftersom fördelningen av föremål i kärnan förväntas vara ungefärligen sfäriskt symmetrisk, förväntas det inte finnas någon korrelation mellan det initiala planet för det inspirala och spinnet av de centrala supermassiva svarta hålen.
2011 föreslogs ett hinder för bildandet av EMRI. "Schwarzschild-barriären" ansågs vara en övre gräns för excentriciteten av banor nära ett supermassivt svart hål. Gravitationsspridning skulle driva av vridmoment från den något asymmetriska fördelningen av massa i kärnan ("resonant relaxation"), vilket resulterade i en slumpmässig vandring i varje stjärnas excentricitet. När dess excentricitet skulle bli tillräckligt stor, skulle omloppsbanan börja genomgå relativistisk precession , och vridmomentens effektivitet skulle släckas. Man trodde att det skulle finnas en kritisk excentricitet, vid varje värde på halvhuvudaxeln, vid vilken stjärnor skulle "reflekteras" tillbaka till lägre excentriciteter. Men det är nu klart att denna barriär inte är något annat än en illusion, troligen härrörande från en animation baserad på numeriska simuleringar, som beskrivs i detalj i två verk.
Spinnets roll
Man insåg att det centrala supermassiva svarta hålets spinn i bildandet och utvecklingen av EMRI är avgörande. Under lång tid har man trott att varje EMRI som har sitt ursprung längre bort än en viss kritisk radie på ungefär en hundradels parsek antingen skulle spridas bort från infångningsbanan eller direkt störta in i det supermassiva svarta hålet på en extremt radiell bana. Dessa händelser skulle leda till en eller några skurar, men inte till en sammanhängande uppsättning av tusentals av dem. I själva verket, när man tar hänsyn till spinn, visade det sig att dessa fångstbanor ackumulerar tusentals cykler i detektorbandet. Eftersom de drivs av tvåkroppsavslappning, som är kaotisk till sin natur, är de okunniga om allt som har med en potentiell Schwarzchild-barriär att göra. Dessutom, eftersom de har sitt ursprung i huvuddelen av stjärnfördelningen, är hastigheterna större. På grund av sin större excentricitet är de dessutom högre, vilket ökar detekteringsvolymen. Det förväntas därför att EMRI kommer från dessa avstånd och att de dominerar hastigheterna.
Alternativ
Flera alternativa processer för framställning av inspiraler med extremt massförhållande är kända. En möjlighet skulle vara att det centrala supermassiva svarta hålet fångar ett passerande föremål som inte är bundet till det. Fönstret där objektet passerar tillräckligt nära det centrala svarta hålet för att fångas, men tillräckligt långt för att undvika att störta direkt in i det, är dock extremt litet, vilket gör det osannolikt att en sådan händelse bidrar väsentligt till den förväntade händelsefrekvensen.
En annan möjlighet finns om det kompakta objektet förekommer i ett bundet binärt system med ett annat objekt. Om ett sådant system passerar tillräckligt nära det centrala supermassiva svarta hålet separeras det av tidvattenkrafterna, vilket skjuter ut ett av objekten från kärnan med hög hastighet medan det andra fångas upp av det centrala svarta hålet med en relativt hög sannolikhet att bli en EMRI. Om mer än 1% av de kompakta föremålen i kärnan finns i binärer kan denna process konkurrera med "standardbilden" som beskrivs ovan. EMRI producerade med denna process har vanligtvis en låg excentricitet och blir nästan cirkulära när de kan detekteras med LISA.
Ett tredje alternativ är att en jättestjärna passerar tillräckligt nära det centrala massiva svarta hålet för att de yttre lagren ska skalas bort av tidvattenkrafter, varefter den återstående kärnan kan bli en EMRI. Det är dock osäkert om kopplingen mellan kärnan och de yttre skikten av jättestjärnor är tillräckligt stark för att strippningen ska ha en tillräckligt betydande effekt på kärnans omloppsbana.
Slutligen, supermassiva svarta hål åtföljs ofta av en ansamlingsskiva av materia som spiralerar mot det svarta hålet. Om den här skivan innehåller tillräckligt med materia kan instabiliteter kollapsa och bilda nya stjärnor. Om de är tillräckligt massiva kan dessa kollapsa och bilda kompakta föremål, som automatiskt är på väg att bli en EMRI. Extrema massförhållande inspiraler skapade på detta sätt kännetecknas av det faktum att deras orbitalplan är starkt korrelerat med planet för accretionskivan och spinn av det supermassiva svarta hålet.
Intermediär massförhållande inspirals
Förutom stjärnsvarta hål och supermassiva svarta hål , spekuleras det att en tredje klass av mellanmassasvarta hål med massor mellan 10 2 och 10 4 M ☉ också existerar. Ett sätt att dessa möjligen kan bildas är genom en serie kollisioner av stjärnor i en ung stjärnhop. Om ett sådant kluster bildas inom tusen ljusår från den galaktiska kärnan, kommer det att sjunka mot mitten på grund av dynamisk friktion. När stjärnorna väl är tillräckligt nära avskalades genom tidvattenkrafter och det svarta hålet med mellanmassan kan fortsätta på en inspiratör mot det centrala supermassiva svarta hålet. Ett sådant system med ett massförhållande runt 1000 är känt som en intermediate mass ratio inspiral ( IMRI). Det finns många osäkerheter i den förväntade frekvensen för sådana händelser, men vissa beräkningar tyder på att det kan finnas upp till flera tiotal av dessa händelser som kan upptäckas av LISA per år. Om dessa händelser inträffar kommer de att resultera i en extremt stark gravitationsvågssignal, som lätt kan detekteras.
Ett annat möjligt sätt för ett mellanliggande massförhållande inspiral är att ett svart hål med mellanmassa i ett klotformigt kluster fångar ett kompakt objekt av stjärnmassa genom en av de processer som beskrivs ovan. Eftersom det centrala objektet är mycket mindre kommer dessa system att producera gravitationsvågor med en mycket högre frekvens, vilket öppnar möjligheten att upptäcka dem med nästa generations jordbaserade observatorier, såsom Advanced LIGO och Advanced VIRGO . Även om händelsefrekvensen för dessa system är extremt osäkra, tyder vissa beräkningar på att Advanced LIGO kan se flera av dem per år.
Modellering
Även om den starkaste gravitationsvågen från EMRI lätt kan särskiljas från det instrumentella bruset från gravitationsvågsdetektorn, kommer de flesta signaler att vara djupt begravda i instrumentbruset. Men eftersom en EMRI kommer att gå igenom många cykler av gravitationsvågor (~10 5 ) innan den gör steget in i det centrala supermassiva svarta hålet, bör det fortfarande vara möjligt att extrahera signalen med hjälp av matchad filtrering . I denna process jämförs den observerade signalen med en mall för den förväntade signalen, vilket förstärker komponenter som liknar den teoretiska mallen. För att vara effektivt krävs noggranna teoretiska förutsägelser för vågformerna för gravitationsvågorna som produceras av ett extremt massförhållande inspiral. Detta kräver i sin tur noggrann modellering av EMRI:s bana.
Rörelseekvationerna i allmän relativitet är notoriskt svåra att lösa analytiskt. Följaktligen måste man använda något slags approximationsschema. Extrema massförhållande inspiraler är väl lämpade för detta, eftersom massan av det kompakta föremålet är mycket mindre än det centrala supermassiva svarta hålet. Detta gör att det kan ignoreras eller behandlas störande .
Problem med traditionella binära modelleringsmetoder
Post-Newtonsk expansion
Ett vanligt tillvägagångssätt är att expandera rörelseekvationerna för ett föremål i termer av dess hastighet dividerat med ljusets hastighet , v / c . Denna approximation är mycket effektiv om hastigheten är mycket liten, men blir ganska inexakt om v / c blir större än ca 0,3. För binära system med jämförbar massa nås denna gräns inte förrän de sista cyklerna av omloppsbanan. EMRI:er spenderar dock sina sista tusen till en miljon cykler i denna regim, vilket gör den post-Newtonska expansionen till ett olämpligt verktyg.
Numerisk relativitet
Ett annat tillvägagångssätt är att helt lösa rörelseekvationerna numeriskt. Teorins icke-linjära karaktär gör detta mycket utmanande, men betydande framgångar har uppnåtts i numerisk modellering av slutfasen av inspirationen av binärer med jämförbar massa. Det stora antalet cykler av en EMRI gör det rent numeriska tillvägagångssättet oöverkomligt dyrt när det gäller beräkningstid.
Gravitationell självkraft
Det stora värdet av massförhållandet i en EMRI öppnar en annan väg för approximation: expansion i ett över massförhållandet. Till noll ordning kommer vägen för det lättare objektet att vara en geodetisk i Kerr-rumtiden som genereras av det supermassiva svarta hålet. Korrigeringar på grund av den ändliga massan hos det lättare föremålet kan då inkluderas, i ordningsföljd i massförhållandet, som en effektiv kraft på föremålet. Denna effektiva kraft är känd som gravitationell självkraft.
Under det senaste decenniet eller så har många framsteg gjorts när det gäller att beräkna gravitationskraften för EMRI. Numeriska koder är tillgängliga för att beräkna gravitationssjälvkraften på vilken bunden bana som helst runt ett icke-roterande ( Schwarzschild ) svart hål. Och betydande framsteg har gjorts för att beräkna gravitationens självkraft runt ett roterande svart hål.
Anteckningar
- ^ LISA kommer bara att ha en liten chans att upptäcka sådana signaler om den kommer från vår Vintergatan .
Vidare läsning
- Amaro-Seoane, Pau (2018). "Stjärndynamik och inspiratörer för extrema massförhållande" . Levande recensioner i relativitetsteori . 21 (1): 150. arXiv : 1205.5240 . Bibcode : 2018LRR....21....4A . doi : 10.1007/s41114-018-0013-8 . PMC 5954169 . PMID 29780279 .
- Amaro-Seoane, Pau; Gair, Jonathan; Freitag, Marc; Miller, M. Coleman; Mandel, Ilya; Cutler, Curt; Babak, Stanislav (2007). "Intermediära och extrema massförhållande inspiratorer - astrofysik, vetenskapstillämpningar och detektion med LISA". Klassisk och kvantgravitation . 24 (17): 113–169 kr. arXiv : astro-ph/0703495 . Bibcode : 2007CQGra..24R.113A . doi : 10.1088/0264-9381/24/17/R01 . S2CID 37683679 .
- Miller, M. Coleman; Alexander, Tal; Amaro-Seoane, Pau; Barth, Aaron J.; Cutler, Curt; Gair, Jonathan R.; Hopman, Clovis; Merritt, David; Phinney, E. Sterl; Richstone, Douglas O. (2010). "Probing Stellar Dynamics in Galactic Nuclei". Astro2010 Decadal Survey . 2010 : 209. arXiv : 0903.0285 . Bibcode : 2009astro2010S.209M .
- Hopman, Clovis (2006). "Astrofysik av extrema massförhållande inspirerande källor". AIP Conference Proceedings . 873 : 241-249. arXiv : astro-ph/0608460 . Bibcode : 2006AIPC..873..241H . doi : 10.1063/1.2405050 . S2CID 118444237 .