Spins of Black Holes in X-ray Binaries and the Tension with the Gravitational Wave Measurements

Das große Schwarze-Loch-Spin-off: Eine Geschichte von zwei Messungen

Stellen Sie sich vor, das Universum ist eine riesige Tanzfläche. Auf der einen Seite haben Sie Schwarze Löcher, die kurz davor sind, zusammenzustoßen (zu verschmelzen). Auf der anderen Seite haben Sie Schwarze Löcher, die gerade einen Stern fressen (akkretieren).

Wissenschaftler messen derzeit, wie schnell diese Schwarzen Löcher rotieren (ihren „Spin“). Aber hier liegt das Problem: Die beiden Gruppen von Schwarzen Löchern scheinen zu völlig unterschiedlichen Rhythmen zu tanzen.

• Gruppe A (Die Verschmelzungen): Wenn wir dem „Klang“ lauschen, wenn Schwarze Löcher zusammenkrachen – mithilfe von Gravitationswellen (wie das Lauschen eines Donnerschlags) – scheinen sie sehr langsam zu rotieren. Sie sind wie träge Tänzer, die sich kaum drehen.
• Gruppe B (Die Esser): Wenn wir Schwarze Löcher beobachten, die Sterne fressen, indem wir mit Teleskopen (Licht und Röntgenstrahlung) nachsehen, scheinen sie unglaublich schnell zu rotieren. Sie sind wie Breakdancer, die mit maximaler Geschwindigkeit rotieren, fast an der Grenze dessen, was physikalisch möglich ist.

Dieses Paper ist eine Detektivgeschichte, die versucht herauszufinden, warum diese beiden Gruppen so unterschiedlich aussehen. Die Autoren argumentieren, dass die „trägen Tänzer“ (Gruppe A) wahrscheinlich die Wahrheit sagen und die „Breakdancer“ (Gruppe B) falsch eingeschätzt werden, weil unsere Messwerkzeuge fehlerhaft sind.

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1. Die Beweise: Zwei verschiedene Welten

Der Beweis durch Gravitationswellen (Der „träge“ Spin)
Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, senden sie Krümmungen in der Raumzeit aus, die als Gravitationswellen bezeichnet werden. Durch die Analyse dieser Wellen können Wissenschaftler bestimmen, wie schnell die Schwarzen Löcher vor dem Aufprall rotierten.

• Das Ergebnis: Die Daten zeigen, dass die meisten verschmelzenden Schwarzen Löcher einen sehr geringen Spin haben (etwa 0,1 bis 0,2 auf einer Skala von 0 bis 1).
• Die Implikation: Dies deutet darauf hin, dass diese Schwarzen Löcher bereits bei ihrer Entstehung aus sterbenden Sternen langsam rotierten. Es bedeutet auch, dass im Inneren massereicher Sterne der „Drehimpuls“ (die Rotationsenergie) sehr effizient vom Kern nach außen übertragen wird, was den Kern abbremst, bevor er kollabiert.

Der Röntgenbeweis (Der „schnelle“ Spin)
Wenn ein Schwarzes Loch einen Begleitstern frisst, erzeugt es eine heiße, wirbelnde Scheibe aus Gas (eine Akkretionsscheibe), die in Röntgenstrahlen leuchtet. Durch die Untersuchung der Form dieses Lichts versuchen Astronomen, den Spin zu berechnen.

• Das Ergebnis: Die meisten veröffentlichten Messungen besagen, dass diese Schwarzen Löcher sehr schnell rotieren (0,7 bis 1,0).
• Der Konflikt: Das ist ein riesiges Problem. Wenn die „Esser“-Schwarzen Löcher mit einem schnellen Spin geboren wurden, warum wurden dann die „Verschmelzungs“-Schwarzen Löcher mit einem langsamen Spin geboren? Und wenn sie langsam geboren wurden, wie wurden die „Esser“ dann so schnell?

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2. Die Verdächtigen: Warum die Messungen falsch sein könnten

Die Autoren dieses Papers glauben, dass die „Schnell-Spin“-Messungen höchstwahrscheinlich falsch sind. Sie weisen darauf hin, dass die Werkzeuge, mit denen man den Spin der „Esser“-Schwarzen Löcher misst, einige ernsthafte „Bugs“ in der Software haben.

Verdächtiger Nr. 1: Die Reflexionsmethode (Das „Echo“-Problem)

Eine Möglichkeit, den Spin zu messen, besteht darin, zu beobachten, wie das Licht des Schwarzen Lochs von der Gasscheibe reflektiert wird, was ein „Echo“ erzeugt.

• Der Fehler: Um den Spin zu messen, müssen Wissenschaftler das ursprüngliche Licht vom reflektierten Licht trennen. Das Paper argumentiert, dass dies so ist, als versuche, ein Flüstern in einem lauten Raum zu hören; es ist unglaublich schwer zu unterscheiden, welches Geräusch zu welchem gehört.
• Die Metapher: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen zu erraten, wie schnell ein Auto fährt, indem Sie dessen Spiegelung in einer Pfütze betrachten. Wenn die Pfütze wellig oder schmutzig ist, wird Ihre Schätzung falsch sein. Das Paper sagt, die „Pfütze“ (die Modelle zur Trennung des Lichts) ist zu wellig und schmutzig, um ihr zu trauen.

Verdächtiger Nr. 2: Die Kontinuums-Methode (Das „Wackeliges Tisch“-Problem)

Die andere Art, den Spin zu messen, ist die Betrachtung der Temperatur und Farbe der Gasscheibe. Dies stützt sich auf ein Standardmodell darüber, wie Scheiben funktionieren (das „Shakura-Sunyaev“-Modell).

• Der Fehler: Dieses Standardmodell sagt voraus, dass die Gasscheibe instabil wäre und auseinanderbrechen würde, wie ein Tisch mit wackeligen Beinen. Aber wenn wir tatsächlich auf die Schwarzen Löcher schauen, sind die Scheiben absolut stabil.
• Die Metapher: Es ist, als würde man eine Karte eines Sumpfes benutzen, um auf einer soliden Autobahn zu navigieren. Die Karte sagt, man würde im Schlamm versinken, aber man fährt auf Asphalt. Weil die Karte (das Modell) falsch ist, ist auch die daraus berechnete Geschwindigkeit (der Spin) falsch.
• Das bessere Modell: Das Paper schlägt vor, „magnetische“ Modelle zu verwenden. Stellen Sie sich vor, die Gasscheibe wird durch unsichtbare magnetische Strohhalme zusammengehalten. Diese Modelle sind stabil und sagen voraus, dass das Gas heißer ist, als wir dachten. Wenn das Gas heißer ist, sagt die Mathematik, dass das Schwarze Loch langsamer rotieren muss, nicht schneller.

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3. Könnte Akkretion (das Essen) sie beschleunigen?

Vielleicht wurden die Schwarzen Löcher langsam geboren (wie die Verschmelzungsgruppe), aber sie wurden schneller, weil sie so viel Material gefressen haben?

• Die Mathematik: Um ein Schwarzes Loch allein durch das Fressen von Materie von „trägem“ auf „Breakdancer“-Geschwindigkeit zu beschleunigen, müsste es eine gewaltige Menge an Material verschlingen – mehr als sein eigenes Gewicht.
• Das Problem:
  • Hochmasse-Spender (Große Sterne): Diese Systeme halten nicht lange genug an, um so viel zu fressen. Ihnen läuft die Zeit davon.
  • Niedrigmasse-Spender (Kleine Sterne): Diese könnten theoretisch genug fressen, aber nur, wenn der Spenderstern ursprünglich riesig gewesen wäre (das Vielfache unserer Sonne). Die Sterne, die wir heute sehen, wirken jedoch klein, was darauf hindeutet, dass sie auch klein begonnen haben.
  • Das Fazkusi: Es ist sehr unwahrscheinlich, dass das Fressen allein den hohen Spin erklärt.

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4. Das Urteil: Was passiert wirklich?

Die Autoren schlagen eine Lösung für das Rätsel vor:

1. Die Gravitationswellen-Daten sind richtig: Schwarze Löcher werden im Allgemeinen mit einem langsamen Spin geboren.
2. Die Röntgen-Daten sind fehlerhaft: Die hohen Spins, die wir bei essenden Schwarzen Löchern sehen, sind eine Illusion, die durch die Verwendung veralteter oder falscher Modelle zur Interpretation des Lichts entstanden ist.
3. Der wahre Spin: Wenn wir bessere, stabilere Modelle verwenden (wie jene mit magnetischer Unterstützung oder „warmen Koronae“ aus heißem Gas), sinkt der berechnete Spin dieser essenden Schwarzen Löcher auf das Niveau der langsamen Spins der verschmelzenden Schwarzen Löcher ab.

Die „Warme Korona“-Analogie:
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Temperatur eines Raumes zu messen, indem Sie ein Thermometer betrachten. Aber direkt vor dem Thermometer bläst ein Heizstrahl heiße Luft. Das Thermometer zeigt „Heiß!“ an, aber der Raum ist eigentlich „Kühl“.
Das Paper legt nahe, dass der „Heizstrahl“ eine Schicht aus heißem Gas (eine warme Korona) ist, die über der Scheibe liegt. Frühere Modelle haben diesen Heizstrahl ignoriert, wes_halb sie dachten, die Scheibe selbst sei heißer und würde schneller rotieren. Wenn man den Heizstrahl berücksichtigt, ist die Scheibe tatsächlich kühler, und der Spin ist viel niedriger.

Zusammenfassung

Das Paper kommt zu dem Schluss, dass die „Spannung“ zwischen den beiden Gruppen von Schwarzen Löchern nicht daher rührt, dass es sich um unterschiedliche Arten von Objekten handelt. Es liegt daran, dass unsere Lineale verbogen sind. Sobald wir die Lineale korrigieren (die Modelle), erweisen sich die „Breakdancer“ doch als „träge Tänzer“, und das Universum ergibt wieder Sinn.