Переворот чорної діри відбувається, коли вісь обертання обертової чорної діри раптово змінює орієнтацію через поглинання другої (меншої) чорної діри. Вважають, що такі перевороти відбуваються під час злиття галактик, коли дві надмасивні чорні діри утворюють зв'язану пару в центрі об'єднаної галактики та зливаються внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль. Такі перевороти важливі для астрофізики, оскільки з обертаннями чорних дір пов'язаний ряд фізичних процесів. Наприклад, вважають, що релятивістські струмені в активних галактиках запускаються паралельно осям обертання надмасивних чорних дір. Зміна осі обертання чорної діри призводить до зміни напрямку струменя.
Фізика перевороту осі Переворот осі — це пізня стадія еволюції подвійної чорної діри. Подвійна система складається з двох чорних дір з масами і , що обертаються навколо свого спільного центру мас. Загальний кутовий момент подвійної системи є сумою орбітального моменту імпульсу і двох кутових моментів окремих чорних дір і ,
.
Якщо відстань між чорними дірами достатньо мала, випромінювання енергії та кутового моменту у формі гравітаційних хвиль призведе до подальшого зменшення відстані між ними. Зрештою, менша чорна діра досягає найближчої стійкої колової орбіти (ISCO) навколо більшої чорної діри. Всередині найближчої стійкої колової орбіти стійких орбіт більше не існує, і менша чорна діра занурюється у більшу, зливаючись з нею. Результуючий кутовий момент після злиття становить дорівнює просто кутовому моменту окремої чорної діри,
.
Нехтуючи кутовим моментом, унесеним гравітаційними хвилями під час остаточного злиття, збереження кутового моменту означає
.
порядку помножити на , і їм можна знехтувати, якщо набагато менша за . У цьому наближенні
.
Це рівняння стверджує, що кінцевий момент імпульсу чорної діри дорівнює сумі початкового моменту імпульсу більшої чорної діри плюс орбітальний кутовий момент меншої чорної діри на найближчій стійкій коловій орбіті. Оскільки вектори і загалом орієнтовані в різних напрямках, відрізняється за напрямком від — це і є переворотом осі.
Кут, на який повертається вісь чорної діри, залежить від відношення і , і від кута між ними. У крайньому випадку, якщо дуже малий, то в результуючому моменті імпульсу переважає , а кут повороту може бути великим. З іншого боку, більша чорна діра може бути чорною дірою Керра з максимальним моментом імпульсу. Тоді її кутовий момент становить порядку
.
Орбітальний кутовий момент меншої діри на найближчій стійкій коловій орбіті залежить від напрямку її орбіти, але має порядок
.
З порівняння цих двох виразів випливає, що навіть досить маленька чорна діра з масою приблизно в 1/5 маси більшої чорної діри може переорієнтувати більшу чорну діру на 90 градусів або більше.
Зв'язок із радіогалактиками Перевороти осей чорних дір вперше обговорювалися в контексті певного класу радіогалактик — X-подібних радіоджерел. X-подібні галактики демонструють два типи радіопелюсток: «активні» пелюстки та «крила». Вважають, що «крила» орієнтовані в напрямку струменя до перевороту, а «активні» пелюстки — у напрямку поточного струменя. Переворот міг бути спричинений поглинанням другої чорної діри під час злиття галактик.
Примітки
Посилання
Massive black hole binary evolution. Стаття про подвійні чорні діри. Scientists Detect «Smoking Gun» of Colliding Black Holes