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ASTRO 101: Black Holes Curtis Brown, Jeanette Gladstone, Ross Lockwood, & Sharon Morsink Updated September 20, 2021 Contents 1 Introduction to Black Holes 9 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Black Holes in Pop Culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Star Trek: The Future Begins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Interstellar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3 Disney’s The Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Connecting Gravity and Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 Gravity and Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 Melanoheliophobia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4 Getting on the Same Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.1 Colours and Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.2 Light Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.3 Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.4 Waves or Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5 Working with Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5.1 Making Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5.2 Measuring Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.5.3 Using Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.6 Doppler Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.6.1 Shifting with sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.6.2 Shifting with light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.6.3 astro-shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.7 Newtonian Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.7.1 Who is Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.7.2 Universal Law of Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.7.3 Earth Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.7.4 Newton’s Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.7.5 Acceleration Due to Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.8 Escape Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.8.1 Interlude on weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.8.2 Weightlessness and Freefall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1 1.8.3 Escape Velocity in Modern Spaceflight . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.8.4 Escape Velocity Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.9 Dark Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.9.1 John Michell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.9.2 Trapping Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.9.3 Dark Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.10 What is a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.10.1 Dark Star versus Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.10.2 What isn’t a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.10.3 Are Black Holes Dangerous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.10.4 Black Holes in Manga (Interview with Dr. Mimi Okabe) . . . . . . . 35 1.11 Black Hole Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2 Life and Death of a Star 38 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2 The Stellar Nursery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.1 What is a star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.2 Forming Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.3 Where are the Sun’s siblings (Interview with Dr. Erik Rosolowsky) . 40 2.3 Now That’s a Stellar Sequence! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.1 The Main Sequence of Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.2 Where Does Star “Colour” Come From . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.3 Day and Night . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4 Energy Production in Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4.1 Building and Smashing Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4.2 Chemical and Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4.3 Nuclear Fusion in the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.4 The Iron Catastrophe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.5 Energy Loss in Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.5.1 The Hundred Thousand Year Journey . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6 The Sun’s Light and Life on Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.1 Safety Owl’s Message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.2 Goldilocks and the Three Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6.3 What is a Super-Earth (Interview with Dr. Kelsey Hoffman) . . . . 52 2.7 End of a Star’s Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.7.1 The Main Sequence isn’t forever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.7.2 Moving on up… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.7.3 Becoming Giant…er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.7.4 Burning Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.7.5 Nurseries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.8 Life After the Death of Low Mass Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.8.1 Stars Like Our Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.8.2 Our Sun’s Inevitable End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.8.3 What are White Dwarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.8.4 Is a White Dwarf the only option . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2 2.8.5 White Dwarfs in Binary Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.9 Life After the Death of High Mass Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.9.1 Explosions! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.9.2 Discovery of the first Neutron Star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.9.3 Pictures of Explosions! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.9.4 Fool’s Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.9.5 Creating Compact Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.9.6 Failed Supernova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.10 Summary: The Circle of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3 The Structure of Spacetime 62 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2 Fishing in Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1 Why Did the Fish Cross the Waterfall . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.2 Crossing the Point of No Return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2.3 Breaking Down the Analogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3 Introducing Special Relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3.1 Light Puzzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3.2 A Pair of Powerful Postulates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.3 Galileo to Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.4 Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.4.1 Introduction to Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.4.2 Spacetime diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4.3 A Cheesy Story . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4.4 Could there be extra dimensions (Interview with Dr. Gingrich) . . . 68 3.5 Effects of Special Relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5.1 Special Events in Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5.2 The Relativity of Simultaneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5.3 Time Dilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5.4 Length Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.5.5 The Gamma Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.6 The Twin Paradox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.6 The Equivalence Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.6.1 Elevators in Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.6.2 How do black holes fall (Interview with Dr. Jeremy Heyl) . . . . . . 76 3.7 Curved Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.7.1 Invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.7.2 Geodesics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.7.3 GPS Satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.7.4 Gravitational Redshift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.7.5 A brief history of relativity (Interview with Dr. Robert Smith) . . . . 80 3.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3 4 Sizing Up Black Holes 82 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2 May the Schwarz(schild) Be With You . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.1 The Schwartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.2 Combing Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.3 Static and Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.4 Measuring Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 Dancing with the Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.1 Pairs of Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.2 Centre of Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.3 Playground Break . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.4 Kepler’s Laws of Planetary Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.4 Black Hole Weigh-In . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.1 Weight Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.2 Black Hole Lightweights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.3 Black Hole Middleweights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.4 Black Hole Heavyweights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4.5 The Black Hole Family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4.6 Is there a limit to the size of a black hole (Interview with Dr. Gregory Sivakoff) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.5 Stellar Mass Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.5.1 Birth in Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.5.2 Finding Stellar Mass Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.5.3 Masses of Stellar Mass Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.5.4 Colliding Stellar Mass Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.6 Supermassive Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.6.1 The Supermassive Black Holes Zoo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.6.2 How do we know the masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.6.3 Relationship to Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.6.4 How do supermassive black holes form (Interview with Dr. Daryl Haggard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.7 Intermediate Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.7.1 Mind the Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.7.2 Black Hole Mergers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.7.3 Higher Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.7.4 Direct Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.7.5 Runaway Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.8 SUPERtiny Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.9 Summary: Preparing to Explore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Approaching a Black Hole 100 5.1 Journey to a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.1 Jets at a Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.2 Jet Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4 5.2.3 Why are black hole jets important (Interview with Dr. Bryan Gaensler)102 5.3 Black Hole Companions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1 Types of Companion Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.2 Types of X-ray Binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4 Sipping on Star Soup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.4.1 The Roche Lobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.4.2 Is this just for stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.4.3 Mass transfer in black hole binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.4.4 Other Options for Mass Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.4.5 How can a star be like a vampire (Interview with Dr. Craig Heinke) 106 5.5 Have a Corona! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.6 What is Accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.6.1 Accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.6.2 Formation of a Disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.6.3 Mass Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.6.4 How do black holes grow (Interview with Dr. Robert Thacker) . . . 109 5.7 Spinning Through the Disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.7.1 Moving Through the Disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.7.2 Note About Time Dilation and Redshift . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.7.3 Tidal Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.7.4 Tidal Forces Around Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.8 Innermost Stable Circular Orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.8.1 Kepler’s Third Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.8.2 Breakdown of Kepler’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.9 Summary: Teetering on the Edge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 Crossing the Event Horizon 115 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2 The Event Horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2.1 The Boundary of a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2.2 Curvature of Particle Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2.3 The Schwarzschild Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2.4 The Ring of Fire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2.5 Shining a Light on Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.3 The Singularity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.3.1 Entering the Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.3

.2 Space and Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.3.3 Representing a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.3.4 The Penrose Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.3.5 Time to Reach the Centre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.3.6 When Maths and Physics Collide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.3.7 Quantum Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.3.8 Cosmic Censorship Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.3.9 What happens at the singularity (Interview with Dr. Valeri Frolov) 123 6.4 Spinning Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5 6.4.1 Effect of Spin on the ISCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.4.2 The Ergosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.4.3 Gravity Probe B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.4.4 Ring Singularities and the Inner Horizon . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.4.5 How can you determine if a black hole is spinning (Interview with Dr. Fiona Harrison) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.5 Wormholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.5.1 Wormholes in Science Fiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.5.2 Understanding Einstein-Rosen Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 7 Inside a Black Hole 131 7.1 Black Holes: The Final Frontier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.1.1 The Quantum Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.1.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.2 Introduction to Quantum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.2.1 The Ultraviolet Catastrophe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.2.2 The Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.2.3 Matter Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.2.4 The Uncertainty Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7.3 Hawking Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.3.1 General Overview of Hawking Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.3.2 The Quantum Foam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 7.3.3 Virtual Particles Near the Horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 7.3.4 What is Hawking radiation (Interview with Dr. Don Page) . . . . . 137 7.4 Information in a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 7.4.1 Information and Quantum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 7.4.2 The Information Preservation Station . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.4.3 What is quantum information (Interview with Dr. Lindsay LeBlanc) 140 7.5 Black Hole Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.5.1 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.5.2 Introduction to Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.5.3 The Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 7.5.4 Entropy and Temperature of a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.5.5 Black Hole Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.5.6 How do you cool a gas with lasers (Interview with Dr. Lindsay LeBlanc)144 7.6 Lifespan of a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.6.1 Temperature of a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.6.2 Evaporation of Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.6.3 Black Holes and the Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6 8 Hunting for Black Holes 150 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.2 Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.2.1 Observing the Sky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.2.2 Radio Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 8.2.3 X-Ray Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.2.4 Why are X-ray telescopes useful for studying black holes (Interview with Dr. Daryl Haggard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.3 Chopping up Rainbows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.3.1 Making Rainbows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.3.2 Kirchhoff and the Continuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 8.3.3 Absorption and Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.4 Advanced Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.4.1 Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.4.2 Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.4.3 Scattered Outta Compton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 8.5 Black Hole Discs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 8.5.1 Modeling the Disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 8.5.2 Multi-coloured Disc Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.5.3 Across the Mass Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.6 Staring into the Hot Mess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.6.1 Looking at the Corona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.6.2 Stepping up the Mass Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 8.6.3 Modeling the Mess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 8.7 Beam Me Up! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.7.1 Emission from the jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.7.2 the Jet Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.7.3 Types of Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.7.4 Orientation of the System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.7.5 What types of jets could a black hole have (Interview with Dr. Gre- gory Sivakoff) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9 Our Eyes in the Skies 166 9.1 Introduction: Turn to face the strange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.2 To Feed Or Not To Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.2.1 To Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.2.2 Not To Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.3 Companion Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.3.1 Black Hole X-ray Binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.3.2 Classifying the Companion Star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 9.3.3 Examples of Low Mass X-ray Binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 9.3.4 Examples of High Mass X-ray Binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.3.5 What is a black hole outburst (Interview with Dr. Aarran Shaw) . . 169 9.4 The Alternative Diets of Supermassive Black Holes . . . . . . . . . . . . . . 170 7 9.4.1 Snacking on Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 9.4.2 Slurping on Soup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.4.3 Black Hole Burps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.5 The Special Case of Sgr A* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.5.1 Where Do We Live . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.5.2 What’s So Special . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.5.3 Why is Sag A* important (Interview with Dr. Fiona Shaw) . . . . . 172 9.6 The Hermits of the Black Hole Family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9.6.1 Gravitational Lensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9.6.2 Wine Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 9.6.3 Einstein Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 9.6.4 Gravitational Micro-Lensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 9.6.5 What does microlensing have in common with exoplanet searches (Interview with Dr. Kelsey Hoffman) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 9.7 It’s on… Now what . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9.7.1 Varying X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9.7.2 High and Low . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9.7.3 Very High . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.7.4 Feeding Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.8 Impact of Black Holes on Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.8.1 Relative Scales of Supermassive Black Holes . . . . . . . . . . . . . . 178 9.8.2 Black Hole Feedback on the Host Galaxy . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9.8.3 Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 9.8.4 What is the impact of a supermassive black hole on a galaxy (Inter- view with Dr. Sarah Gallagher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.9 Seeking Out The Elusive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.9.1 Intermediate Mass Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.9.2 HLX-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.9.3 M82 X-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.9.4 XJ 1417+52 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 9.9.5 Can intermediate mass black holes be found in globular clusters (In- terview with Dr. Craig Heinke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 9.10 Summary: The End Of The Rainbow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10 Gravitational Telescopes 186 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10.2 Gravitational Lensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10.2.1 Gravitational Lensing by Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10.2.2 Gravitational Lensing by Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 10.2.3 The Photon Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.2.4 The Event Horizon Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.2.5 The Black Hole in M87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.3 Gravitational Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 10.3.1 Gravity at the Speed of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 10.3.2 Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 8 10.3.3 Surfing Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 10.4 Binaries and Gravitational Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 10.4.1 Binary Inspiral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 10.4.2 Following Kepler’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 10.4.3 Loss of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.4.4 How do binary pairs of black holes form (Interview with Dr. Tyrone Woods) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.4.5 Inspiral and merger of Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 10.4.6 Gravitational Observatories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 10.4.7 Merger Remnants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 10.4.8 Merger of a Neutron Star and a Black Hole . . . . . . . . . . . . . . . 196 10.4.9 Where does the gold in your ring come from (Interview with Dr. Rodrigo Fernandez) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 10.4.10 How does a neutron star’s vibrations affect binary inspiral (Interview with Dr. Jocelyn Read) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 10.4.11 Inspiral and Merger of Two Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.4.12 Masses in the Stellar Graveyard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.4.13 Colliding Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.5 Gravitational Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 10.5.1 The Long Arm of Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 10.5.2 Two LIGOs are Better Than One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.5.3 Lasers in Space! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.6 Pulsar Timing Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10.6.1 Pulsar Positioning System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10.6.2 Squishing Signals in Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 10.6.3 What is a pulsar timing array (Interview with Dr. Ingrid Stairs) . . 204 10.7 The Final Countdown! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.7.1 What We Know We Know . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.7.2 Black Hole Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.7.3 Where Science Fiction Meets Science Fact . . . . . . . . . . . . . . . 206 10.7.4 Observations of the Black Hole Environment . . . . . . . . . . . . . . 207 10.7.5 What We Know We Don’t Know . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 1 Introduction to Black Holes Hello and welcome to the first module of Astro 101! In this module, you will become familiar with the basic structure of a black hole, learn the terminology used to describe them, and explore the history of black hole physics. 1.1 Introduction Welcome to Astro101. My name is Sharon Morsink, and I will be your professor. With me is Jeanette Gladstone, Ross Lockwood, and Curtis Brown who will be your guides throughout our voyage to a black hole. I did my PhD research on the insides of black holes when I 9 worked on my PhD in theoretical physics. Over the years, I have also studied gravitational radiation and X-ray emission from black holes and neutron stars, which are dense, compact objects. I’m fascinated by the force of gravity. How does gravity’s strength depend on an object’s mass and size How does gravity cause light to travel on curved paths Can we use the effects of gravity to observe black holes through gravitational lensing What exactly are the gravitational waves that scientists are so excited about Hi there, I’m Curtis. Some things you ought to know about me, when I’m not on my side hustle slinging plywood, I’m learning about black holes and studying engineering. I’ve been keen on learning about astrophysics since the very first time I watched my favorite science guy, Neil deGrasse Tyson. In my spare time, I make pipe cleaner mustaches, and sit above the streets of Toronto in my palace of textbooks. My interest in black holes started in my undergraduate courses in astrophysics. We learned that black holes are the endpoint of stellar evolution for high mass stars. What I’m curious to learn is how the mass of a star can create a gravitationally collapsed object, a black hole. I know it has something to do with the four-dimensional structure of spacetime, but the thing that I’m really inter- ested in, is learning why massive black holes are much safer for astronauts and spaceships to visit than very small black holes. I can’t wait to get started. I’ll see you in the stellar nursery. Hi, I’m Ross. I earned a PhD in Condensed Matter Physics, relating to quantum mechan- ics. As a result, I’m interested in the theories about microscopic black holes, and the effects caused by quantum mechanics like Hawking radiation. I’m excited about learning what happens inside of a black hole, wha