自旋翻转

此条目介绍的是黑洞自旋翻转。关于原子核自旋反向，请见“21公分线”。

自旋翻转是在当旋转黑洞的自旋轴由于吸收第二个（较小的）黑洞而发生的方向突然变化。自旋翻转被认为是星系合并的结果，当两个超大质量黑洞在合并的星系中心形成一个束缚对，并在发射引力波后合并。自旋翻转在天体物理学上很重要，因为许多物理过程都与黑洞自旋有关；例如，活跃星系中的喷流被认为是平行于超大质量黑洞的自旋轴发射的。 因此，由于自旋翻转而导致黑洞旋转轴的变化将导致喷流方向的变化。

黑洞自旋翻转的示意图。

自旋翻转的物理学

自旋翻转是双黑洞演化的后期阶段。该双星由两个黑洞组成，质量为 ${\displaystyle M_{1}}$和${\displaystyle M_{2}}$，它们围绕着它们共同的质心旋转。双星系统的总角动量${\displaystyle J}$是轨道的角动量之和，${\displaystyle {L}}$加上这两个黑洞的自旋角动量${\displaystyle {S}_{1,2}={S}_{1}+{S}_{2}}$。如果我们写${\displaystyle \mathbf {M_{1}} ,\mathbf {M_{2}} }$是每个黑洞的质量，和${\displaystyle \mathbf {a_{1}} ,\mathbf {a_{2}} }$是它们的克尔参数^[1]，然后使用${\displaystyle \theta }$, 给出的自旋轴偏北的角度，我们可以写：

$${\displaystyle \mathbf {S} _{1}=\{\mathbf {a} _{1}\mathbf {M} _{1}\cos(\pi /2-\theta ),\mathbf {a} _{1}\mathbf {M} _{1}\sin({\tfrac {\pi }{2}}-\theta )\}}$$ $${\displaystyle \mathbf {S} _{2}=\{\mathbf {a} _{2}\mathbf {M} _{2}\cos({\tfrac {\pi }{2}}-\theta ),\mathbf {a} _{2}\mathbf {M} _{2}\sin({\tfrac {\pi }{2}}-\theta )\}}$$ $${\displaystyle \mathbf {J} _{\text{init}}=\mathbf {L} _{\text{orb}}+\mathbf {S} _{1}+\mathbf {S} _{2}.}$$

如果轨道间隔足够小，以引力辐射形式发射的能量和角动量将导致轨道分离下降。最终，较小的黑洞${\displaystyle M_{2}}$到达围绕较大黑洞的最内层稳定圆轨道或ISCO。一旦到达ISCO，就不再存在稳定的轨道，较小的黑洞会陷入较大的黑洞中，与它合并。合并后的最终角动量只是

$${\displaystyle \mathbf {J} _{\text{final}}=\mathbf {S} ,}$$

合并后的黑洞，单个黑洞的自旋角动量。忽略了在最后一次俯冲过程中被引力波带走的角动量（它很小）^[2]—意味着角动量守恒。

$${\displaystyle \mathbf {S} \approx \mathbf {L} _{\text{ISCO}}+\mathbf {S} _{1}+\mathbf {S} _{2}.}$$

${\displaystyle S_{2}}$的因次是${\displaystyle (M_{2}/M_{1})^{2}}$乘上 ${\displaystyle S_{1}}$，如果${\displaystyle M_{2}}$相较于${\displaystyle M_{1}}$是非常小就可以忽略。进行这个近似：

$${\displaystyle \mathbf {S} \approx \mathbf {L} _{\text{ISCO}}+\mathbf {S} _{1}.}$$

该方程指出，黑洞的最终自旋是较大黑洞的初始自旋加上较小黑洞在最后一个稳定轨道上的轨道角动量之和。由于向量${\displaystyle S_{1}}$和${\displaystyle L}$通常朝向不同的方向，${\displaystyle S}$的指向将与${\displaystyle S_{1}}$不同—自旋翻转^[3]。

黑洞自旋重新定向的角度取决于${\displaystyle L_{\rm {ISCO}}}$和${\displaystyle S_{1}}$，以及它们之间的角度。在一个极端情况，如果${\displaystyle S_{1}}$ 非常小，最后的旋转将由${\displaystyle L_{\rm {ISCO}}}$主导，并且翻转角度可能很大。在另一个极端，较大的黑洞最初可能是一个最大化旋转的克尔黑洞。 然后，它的自旋角动量是有序的。

$${\displaystyle S_{1}\approx GM_{1}^{2}/c.}$$

ISCO上较小黑洞的轨道角动量取决于其轨道的方向，但呈有序

$${\displaystyle L_{\text{ISCO}}\approx GM_{1}M_{2}/c.}$$

比较这两个表达式，可以得出结论，即使是一个相当小的黑洞，其质量约为较大黑洞的五分之一，也可以使较大的黑洞重新定向90度或更多^[3]。

与电波星系的联系

黑洞自旋翻转最初是在一类特定的电波星系、X形无线电源^[3]。 X形电波星系表现出两对错位的电波瓣：“活跃”的波办和“翅膀”。据信，翼朝向自旋翻转之前喷流的方向，并且活动电波瓣指向当前的喷流方向。自旋翻转可能是由星系合并期间，吸收第二个黑洞引起的。

相关条目

• 超大质量黑洞
• 引力波——时空曲率中的涟漪以光速传播为波浪，在某些从其源头向外传播的重力相互作用中产生
• 电波星系——在无线电波长下非常明亮的活跃星系类型