Die Spin-Dynamik von Schwarzen Löchern und Jets

Schwarze Löcher entstehen, wenn massive Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren. Bevor ein schwarzes Loch entsteht, kann ein Stern eine Phase durchlaufen, in der er zu einem Proto-Neutronenstern wird. Während dieser Phase kann der Kern des Sterns eine grosse Menge Masse anziehen, was zu einem signifikanten Anstieg der Dichte führt. Wenn eine bestimmte Masse erreicht ist, kollabiert der Proto-Neutronenstern zu einem schwarzen Loch.

Beobachtungen zeigen, dass die leichtesten schwarzen Löcher über einer bestimmten Masse liegen, was auf eine Lücke zwischen leichteren und schwereren schwarzen Löchern hindeutet. Diese Lücke impliziert, dass schwarze Löcher eine Zeit lang weiter Masse gewinnen, nachdem sie entstanden sind.

Während schwarze Löcher mehr Gas ansammeln, gewinnen sie auch Drehimpuls. Dieser Drehimpuls erhöht ihre Drehgeschwindigkeit. Allerdings können schwarze Löcher auch Drehimpuls durch Jets verlieren, was ihre Drehgeschwindigkeit verringert. Der endgültige Drehimpuls eines schwarzen Lochs wird durch ein Gleichgewicht zwischen dem Zulegen und dem Verlieren von Drehimpuls bestimmt.

Damit schwarze Löcher starke Jets erzeugen können, muss ihr Magnetfeld stark genug sein, um ihren Drehimpuls zu beeinflussen. Das führt zu einem Szenario, in dem das schwarze Loch von einer bestimmten Art von Scheibe umgeben ist, die als magnetisch festgehaltene Scheibe (MAD) bekannt ist, was beeinflusst, wie sich das schwarze Loch im Laufe der Zeit dreht.

#Der Drehimpuls von schwarzen Löchern

Im Fall von schwarzen Löchern, die in Kollapsaren entstehen – das sind massive Sterne, die Gammastrahlenausbrüche (GRBs) erzeugen – spielt die Akkretion von Masse eine wichtige Rolle. Wenn ein schwarzes Loch eine bestimmte Menge seiner ursprünglichen Masse ansammelt, kann sein Drehimpuls auf niedrige Werte sinken. Forschungen zeigen, dass dies zu typischen Jet-Verhaltensweisen führt, die bei Gammastrahlenausbrüchen beobachtet werden.

Wenn der Beginn des MAD-Zustands verzögert wird, können sich mächtige Jets bilden, aber der endgültige Drehimpuls des schwarzen Lochs bleibt niedrig. Diese Ergebnisse stimmen mit Beobachtungen von Gravitationswellen überein, die darauf hinweisen, dass schwarze Löcher, die durch Verschmelzungen entstanden sind, niedrige SPINS aufweisen.

#Wie schwarze Löcher entstehen

Wenn ein massiver Stern kollabiert, entstehen schwarze Löcher. Zuvor kann der Kern zuerst zu einem Proto-Neutronenstern kollabieren. Der Kollaps führt dazu, dass eine erhebliche Menge Masse auf den Proto-Neutronenstern gedrückt wird, der dann eine kritische Masse überschreiten und sich in ein schwarzes Loch verwandeln kann.

Beobachtungen deuten darauf hin, dass es eine Masse-Lücke gibt, in der sehr leichte schwarze Löcher selten zu finden sind. Diese Lücke deutet darauf hin, dass schwarze Löcher weiterhin Masse gewinnen, nachdem sie während des Kollapses entstanden sind.

Wenn ein schwarzes Loch mehr Gas aufnimmt, gewinnt es sowohl Masse als auch Drehimpuls, wodurch sich sein Drehimpuls entweder erhöht oder durch die Entstehung von Jets verringert werden kann. Frühere Simulationen haben gezeigt, dass ein schwarzes Loch während des Kollapsprozesses spinnen kann, wenn es keine Jets gibt.

#Messung des Drehimpulses von schwarzen Löchern

Es gibt verschiedene Methoden, um den Drehimpuls von schwarzen Löchern zu messen. Einige Methoden basieren auf der Beobachtung elektromagnetischer Emissionen aus den Bereichen rund um schwarze Löcher, während neuere Techniken Gravitationswellendetektionen von binären schwarzen Lochverschmelzungen durch Observatorien wie LIGO nutzen. Diese Studien zeigen, dass viele schwarze Löcher vor der Verschmelzung langsame Spins haben.

Einige Sterne, die zu schwarzen Löchern werden, verlieren während dieses Prozesses ihre äusseren Schichten. Diese Sterne werden oft mit Gammastrahlenausbrüchen in Verbindung gebracht, die durch Jets vom schwarzen Loch angetrieben werden. Die immense Energie dieser Jets deutet darauf hin, dass sie durch die Rotationsenergie des schwarzen Lochs angetrieben werden.

Diese Beziehung legt nahe, dass die Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen Einblicke in schwarze Löcher geben kann, insbesondere in Bezug auf ihre Spins.

#Wie der Drehimpuls die Jet-Produktion beeinflusst

Schwarze Löcher und ihre umgebenden Scheiben interagieren kontinuierlich, was den Drehimpuls des schwarzen Lochs beeinflusst. Diese Interaktion wird von zwei Hauptkräften angetrieben: dem Drehimpuls des fallenden Materials, das das schwarze Loch beschleunigt, und den magnetischen Kräften, die das schwarze Loch durch die Jets verlangsamen können.

Im MAD-Zustand sind die Kraft der Jets und der Energieaustausch mit dem schwarzen Loch eng mit dem Drehimpuls des schwarzen Lochs verbunden. Das bedeutet, dass der endgültige Drehimpuls eines schwarzen Lochs von seinem ursprünglichen Drehimpuls und der Menge an akkumulierter Masse abhängt.

Forschungen zeigen, dass der Grossteil der stellaren Hülle nicht in das schwarze Loch fällt, aufgrund der Energie und des Impulses der Jets, die einen Grossteil des Materials wegdrücken. Schätzungen zeigen, dass nur ein Bruchteil der stellaren Masse tatsächlich vom schwarzen Loch akkumuliert wird.

#Die Rolle der Akkretion

Wenn eine bedeutende Menge Masse akkumuliert wird, kann der Drehimpuls des schwarzen Lochs einen Gleichgewichtszustand erreichen, abhängig von den Anfangsbedingungen und der Menge an aufgenommener Masse. Die Beziehung zwischen der akkumulierten Masse und der ursprünglichen Masse des schwarzen Lochs ist entscheidend dafür, wie stark das schwarze Loch sich drehen kann.

Ein schwarzes Loch, das mehr als die Hälfte seiner ursprünglichen Masse aufnimmt, dreht sich auf niedrige Gleichgewichtsspins herunter. Selbst wenn das schwarze Loch mit einem hohen Spin beginnt, wird seine Interaktion mit dem akkruierten Material und den Jets dazu führen, dass es auf einen niedrigeren Spin sinkt.

Um die Entwicklung des Drehimpulses von schwarzen Löchern über die Zeit zu modellieren, kombinieren Forscher die Gleichungen, die die Änderungen des Spins regeln, mit der Rate der Masseakkretion. Der Spin eines schwarzen Lochs kann basierend auf verschiedenen Faktoren, einschliesslich der Masse des schwarzen Lochs und der Effizienz der Jet-Erzeugung, ausgedrückt werden.

#Beobachtungs-Konsistenz

Die Ergebnisse der Modelle zur Entwicklung des Drehimpulses von schwarzen Löchern werden mit Beobachtungen von Gammastrahlenausbrüchen verglichen, um sicherzustellen, dass sie übereinstimmen. Die Energie, die von den Jets freigesetzt wird, steht in Beziehung zur Masseakkretion und der Effizienz der Jets, die vom Spin des schwarzen Lochs abhängt.

Um die Eigenschaften von Gammastrahlenausbrüchen zu erhalten, modellieren Forscher, wie Jets durch stellar Material propagieren. Die Kraft der Jets wird durch die Dichte des Materials und die Effizienz der Energieumwandlung in den Jets beeinflusst.

Bei der Untersuchung der Entwicklung der Jet-Energie über die Zeit kann die durchschnittliche Leistung der Jets berechnet werden. Dieser Durchschnitt ist wichtig, um die allgemeinen Eigenschaften der beobachteten Gammastrahlenausbrüche zu verstehen.

#Mächtige Gammastrahlenausbrüche

Mächtige Gammastrahlenausbrüche stehen im Zusammenhang mit dem Verhalten des Drehimpulses des schwarzen Lochs und der Energie der erzeugten Jets. Forschungen zeigen, dass die mächtigsten Gammastrahlenausbrüche auftreten, wenn das schwarze Loch es schafft, nicht zu viel Drehimpuls zu verlieren.

Eine Verzögerung beim Beginn des MAD-Zustands kann die Energie der Jets erhöhen, während die Variation der Jet-Power niedrig bleibt. Dadurch kann das schwarze Loch sich drehen, bevor die Jets vollständig aktiv sind, was zu einer mächtigen Ausgabe führt, wenn die Jets beginnen.

Die Effektivität der Jets wird durch die Eigenschaften und das Timing beeinflusst, wie schnell die umgebende Scheibe des schwarzen Lochs MAD wird. Die Jetkraft ist in Situationen tendenziell niedrig, in denen das schwarze Loch schnell seinen Drehimpuls durch Materialverlust verliert.

#Fazit

Die Erkundung des Drehimpulses schwarzer Löcher und deren Verbindung zur Jet-Produktion in Gammastrahlenausbrüchen zeigt einen unvermeidlichen Trend zu niedrigen Spins in magnetisch festgehaltenen Systemen. Der endgültige Drehimpuls eines schwarzen Lochs wird hauptsächlich durch die Menge an aufgenommener Masse im Vergleich zu seiner ursprünglichen Masse beeinflusst.

Selbst bei grosszügigen Schätzungen der Masseakkretion ist es eine Herausforderung, einen hohen endgültigen Spin zu erreichen. Die Verteilung der Drehimpulse schwarzer Löcher aus Gravitationswellen-Daten deutet darauf hin, dass schnell rotierende schwarze Löcher selten sind.

Diese Studie zeigt die komplexe Beziehung zwischen Masseakkretion, Drehimpuls schwarzer Löcher und der Bildung von Jets. Zukünftige Forschungen könnten weiter klären, wie diese Parameter interagieren, insbesondere in verschiedenen Entstehungsszenarien.

Das Verständnis dieser Beziehungen kann erheblich zu unserem Wissen über schwarze Löcher und die Prozesse, die ihr Verhalten im Universum steuern, beitragen.