Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

Zwarte gaten zijn de meest extreme objecten in het universum, geboren uit de gewelddadige ineenstorting van massieve sterren. Decennialang hebben astronomen geprobeerd een specifiek, hardnekkig mysterie over hen te begrijpen: waar komt hun spin vandaan? Wanneer een ster instort, draait deze vaak sneller, net zoals een kunstschaatser die de armen intrekt. De heersende theorie is geweest dat zwarte gaten deze spin simpelweg erven van hun ouderster. Omdat sterren in binaire paren meestal in dezelfde richting draaien als ze om elkaar heen draaien, voorspelde deze theorie dat de resulterende zwarte gaten ook precies in lijn met hun baan zouden draaien. Als dit waar zou zijn, zou het astronomen een betrouwbare manier geven om te bepalen hoe zwarte gaten zijn ontstaan. De zwarten die alleen zijn geboren in de stille velden tussen de sterren, zouden netjes meedraaien met hun partner, terwijl de zwarte gaten die door toeval bij elkaar zijn gebracht in drukke sterrenclusters, in willekeurige richtingen zouden draaien.

Recente waarnemingen van zwaartekrachtgolfdetectoren hebben dit nette plaatje echter in de war geschopt. Wetenschappers hebben zwart gat-fusies gedetecteerd waarbij de spins onder wilde hoeken staan, of zelfs achteruit draaien ten opzichte van de baan. Deze "misalignede" (niet-uitgelijnde) spins zijn traditioneel beschouwd als bewijs dat de zwarte gaten dynamisch zijn samengesteld in drukke omgevingen, in plaats van samen te zijn geboren. Maar een nieuwe studie daagt deze aanname uit en suggereert dat het verhaal van de spin van een zwart gat veel ingewikkelder is dan eenvoudige overerving. De onderzoekers stellen voor dat de gewelddadige geboorte van een zwart gat processen kan bevatten die de draairichting van de spin verstoren, waardoor er een afwijking ontstaat, zelfs voor paren die in isolatie zijn gevormd.

Het team, onder leiding van Vishal Baibhav en Vicky Kalogera, probeerde dit idee te testen door vier verschillende manieren te verkennen waarop een zwart gat zijn spin zou kunnen verkrijgen. De eerste is het traditionele standpunt: de spin wordt direct geërfd van de ouderster, waardoor deze in lijn blijft met de baan. De andere drie zijn meer chaotische mogelijkheden. In één scenario wordt de spin willekeurig gegenereerd door turbulente processen binnen de stervende ster, waarbij deze in elke richting wijst met gelijke waarschijnlijkheid. In het tweede scenario is de spin uitgelijnd met de "kick" die het zwarte gat ontvangt wanneer het wordt geboren – een plotselinge schok veroorzaakt door een ongelijkmatige explosie. In het derde scenario wijst de spin loodrecht op die kick. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te modelleren hoe deze verschillende spinrichtingen eruit zouden zien nadat de zwarte gaten waren gevormd en begonnen te draaien om elkaar heen, waarbij ze specifiek keken naar hoe de gewelddadige geboort gebeurtenis, bekend als een kerninstorting, de baan zelf deed kantelen.

Hun simulaties toonden aan dat de oude aanname – dat geïsoleerde binaire systemen een uitgelijnde spin moeten hebben – niet noodzakelijkerwijs waar is. Ze ontdekten dat als de spin van een zwart gat gekopps is aan de richting van zijn geboortekick, of als de spin willekeurig wordt gegenereerd, het resulterende systeem grote afwijkingen of zelfs een retrograde spin kan vertonen, waarbij het zwarte gat achteruit draait ten opzichte van zijn baan. Dit gebeurt omdat de kick die het zwarte gat wegduwt ook de gehele baan van het binaire paar doet kantelen. Afhankelijk van de kracht van de kick en de richting van de spin, kan het eindresultaat exact lijken op een systeem dat door toeval bij elkaar is gebracht in een drukke cluster, ook al is het in alle rust in isolatie gevormd.

Deze ontdekking heeft diepgaande implicaties voor hoe we de signalen van botsende zwarte gaten interpreteren. De studie suggereilt dat de aanwezigheid van een gekantelde spin of een achterwaartse spin op zichzelf geen bewijs is dat een systeem dynamisch is samengesteld. Een binair paar dat in het stille veld is gevormd, kan gemakkelijk eindigen met een chaotische spinoriëntatie als de fysica van de geboorte deze alternatieve mechanismen omvatte. De onderzoekers hebben hun modellen getest tegen de data van 257 zwart gat-fusies gedetecteerd door de LIGO-Virgo-KAGRA-collaboratie. Ze vonden dat hoewel sommige gebeurtenissen sterk de voorkeur geven aan het traditionele uitgelijnde model, andere beter worden verklaard door deze alternatieve theorieën over spin-generatie. In het bijzonder vertoonde één gebeurtenis waarbij mogelijk een neutronenster en een zwart gat betrokken waren een achterwaartse spin die zeer moeilijk te verklaren is met de oude theorie, maar die natuurlijk past bij de nieuwe modellen.

Het artikel beweert niet het mysterie van de spin van zwarte gaten te hebben opgelost, noch bewijst het dat geïsoleerde binaire systemen de bron zijn van alle misalignede systemen. In plaats daarvan laat het zien dat het bereik van mogelijkheden voor hoe geïsoleerde binaire systemen zich gedragen veel breder is dan voorheen gedacht. Door de aanname los te laten dat spin geërfd moet worden, laten de auteurs zien dat de "vingerafdruk" van de oorsprong van een binair systeem vervaagd is. De duidelijke kenmerken die astronomen hoopten te gebruiken om veldbinaire systemen van clusterbinaire systemen te onderscheiden, zijn niet zo eenduidig als voorheen werd aangenomen. De studie concludeert dat wetenschappers, om echt te begrijpen waar deze kosmische reuzen vandaan komen, naar de populatie als geheel moeten kijken, in plaats van elk evenement in isolatie te beoordelen, en bereid moeten zijn voor de mogelijkheid dat de gewelddadige fysica van de geboorte van een zwart gat de regels van de dans met zijn partner kan herschrijven.