For tredje gang i historien har vi direkte oppdaget den unektelige signaturen til sorte hull: gravitasjonsbølger fra fusjonen. Kombinert med det vi allerede vet om stjernebaner i nærheten av det galaktiske sentrum, røntgen- og radioobservasjoner av andre galakser, målinger av hastigheten på gassbevegelsen, er det umulig å benekte eksistensen av sorte hull. Men vil vi ha nok informasjon fra disse og andre kilder til å fortelle oss hvor mange sorte hull det egentlig er i universet og hvordan de fordeles?
Faktisk, hvor mange sorte hull er det i universet sammenlignet med synlige stjerner?
Det første du vil gjøre er å gå videre til direkte observasjon. Og dette er en flott start.
7 millioner andre eksponeringskart av Chandra Deep Field-South. Det er hundrevis av supermassive sorte hull i denne regionen
Vårt beste røntgenteleskop til dags dato er Chandra røntgenobservatorium. Fra sin posisjon i jordens bane kan den identifisere til og med enkeltfotoner fra fjerne røntgenkilder. Ved å lage dype bilder av betydelige deler av himmelen, kan den bokstavelig talt identifisere hundrevis av røntgenkilder, som hver tilsvarer en fjern galakse utenfor vår egen. Basert på energispektret til de mottatte fotonene, ser vi supermassive sorte hull i sentrum av hver galakse.
Men så utrolig som denne oppdagelsen er, er det mange flere sorte hull i verden enn en per galakse. Selvfølgelig er det i hver galakse i gjennomsnitt minst millioner eller milliarder solmasser, men vi ser ikke alt.
Massene av kjente binære sorte hullsystemer, inkludert tre bekreftede fusjoner og en fusjonskandidat fra LIGO
Kampanjevideo:
LIGO kunngjorde nylig sin tredje direkte deteksjon av et kraftig gravitasjonssignal fra en sammenslåing av binære sorte hull, som bekrefter utbredelsen av slike systemer i hele universet. Vi har ikke nok statistikk ennå til å få et numerisk estimat fordi feilterskelen er for høy. Men hvis vi tar utgangspunkt i den nåværende terskelen til LIGO og det faktum at den finner et signal annenhver måned (i gjennomsnitt), kan vi trygt si at i hver galakse på størrelse med Melkeveien som vi kan undersøke, er det minst et dusin slike systemer.
Avansert LIGO-serie og dets evne til å oppdage sammensmeltende sorte hull
Videre viser røntgendataene at det er mange binære sorte hull med lavere masse; kanskje betydelig mer enn de massive LIGO kan finne. Og dette tar ikke engang hensyn til dataene som indikerer eksistensen av sorte hull, som ikke er inkludert i stive binære systemer, og det må være et flertall av dem. Hvis galaksen vår har dusinvis av sorte hull med middels og høy masse (10-100 solmasser), må det være hundrevis (3-15 solmasser) binære sorte hull og tusenvis av isolerte (ikke-binære) sorte hull med stjernemasse.
Her legges det vekt på "i det minste".
Fordi sorte hull er så jævla vanskelig å finne. Så langt kan vi bare se de mest aktive, de mest massive og de mest fremtredende. Svarte hull som spiraliserer og smelter sammen er gode, men slike konfigurasjoner bør være kosmologisk sjeldne. De som Chandra har sett er de mest massive, aktive og alle, men de fleste sorte hull er ikke monstre i millioner av milliarder solmasser, og de fleste av de store sorte hullene er for tiden inaktive. Vi observerer bare en liten brøkdel av sorte hull, og dette er verdt å forstå, til tross for det observerte.
Det vi oppfatter som en eksplosjon av gammastråling, kan oppstå ved sammenslåing av nøytronstjerner, som skyver materie ut i universet og skaper de tyngste kjente elementene, men som også til slutt skaper et svart hull.
Og likevel har vi en måte å få et kvalitativt estimat på antall og fordeling av sorte hull: vi vet hvordan de dannes. Vi vet hvordan vi kan lage dem fra unge og massive stjerner som går supernovaer, fra nøytronstjerner som smelter sammen, og i ferd med å kollapse. Og selv om de optiske signaturene til etableringen av et svart hull er ekstremt tvetydige, har vi sett nok stjerner, deres dødsfall, katastrofale hendelser og stjernedannelse gjennom universets historie til å kunne finne nøyaktig tallene vi leter etter.
Restene av en supernova født fra en massiv stjerne etterlater seg et kollapsende objekt: enten et svart hull eller en nøytronstjerne, hvorfra et svart hull senere kan dannes under visse forhold
Disse tre måtene å lage sorte hull har alle sine røtter, hvis du følger dem gjennom, til massive regioner med stjernedannelse. For å oppnå:
- Supernova, du trenger en stjerne som vil være 8-10 ganger solens masse. Stjerner større enn 20-40 solmasser vil gi deg et svart hull; mindre stjerner - en nøytronstjerne.
- En nøytronstjerne som smelter sammen i et svart hull, trenger enten to nøytronstjerner som danser i spiraler eller kolliderer, eller en nøytronstjerne suger ut masse fra en ledsagerstjerne opp til en viss grense (ca. 2,5-3 solmasser) for å bli et svart hull.
- Direkte kollaps av et svart hull, du trenger nok materiale på ett sted for å danne en stjerne 25 ganger mer massiv enn solen, og visse forhold for å få et svart hull (ikke en supernova) nøyaktig.
Hubble-fotografier viser en massiv stjerne 25 ganger mer massiv enn Solen, som ganske enkelt forsvant uten supernova eller annen forklaring. Direkte kollaps vil være den eneste mulige forklaringen
I vår nærhet kan vi måle, av alle stjernene som dannes, hvor mange av dem som har riktig masse for å potensielt bli et svart hull. Vi finner at bare 0,1-0,2% av alle nærliggende stjerner har nok masse til å bli supernova, hvor de aller fleste danner nøytronstjerner. Omtrent halvparten av systemene som danner binære (binære) systemer, inkluderer imidlertid stjerner av sammenlignbare masser. Med andre ord vil de fleste av de 400 milliarder stjernene som har dannet seg i galaksen vår aldri bli sorte hull.
Et moderne spektral klassifiseringssystem for Morgan-Keenan-systemer med temperaturområdet for hver stjerneklasse i Kelvin. Det store flertallet (75%) av stjernene i dag er stjerner i M-klassen, hvorav bare 1 av 800 er enorme nok til å bli supernova
Men det er greit, for noen av dem vil. Enda viktigere, mange har allerede blitt, om enn i en fjern fortid. Når stjerner dannes, får du en massedistribusjon: du får noen få massive stjerner, litt større enn gjennomsnittet, og mange med lave masser. Så mange at M-klasse stjerner (røde dverger) med en masse på bare 8-40% av solmassen utgjør tre fjerdedeler av stjernene i vår nærhet. Nye stjerneklynger vil ikke ha mange massive stjerner som kan bli supernova. Men tidligere var de stjerneformende områdene mye større og rikere i masse enn Melkeveien er i dag.
Det største stjernebarnehagen i den lokale gruppen, 30 Doradus i Tarantula-tåken, inneholder de mest massive stjernene kjent for mennesker. Hundrevis av dem (i løpet av de neste million årene) vil bli sorte hull
Ovenfor ser du 30 Doradus, den største stjernedannende regionen i den lokale gruppen, med en masse på 400 000 soler. Det er tusenvis av varme, veldig blå stjerner i denne regionen, hvorav hundrevis vil gå supernova. 10-30% av dem blir til svarte hull, og resten blir nøytronstjerner. Antar at:
- det var mange slike regioner i galaksen vår tidligere;
- de største stjerneformende områdene er konsentrert langs spiralarmene og mot det galaktiske sentrum;
- der vi ser pulsarer (restene av nøytronstjerner) og kilder til gammastråler i dag, vil det være sorte hull, - vi kan lage et kart og vise på det hvor de sorte hullene vil være.
NASAs Fermi-satellitt har kartlagt de høye energiene i universet i høy oppløsning. Svarte hull i en galakse på et kart følger sannsynligvis utkast med liten spredning og blir løst av millioner av separate kilder.
Dette er Fermis kart over gammastrålekilder på himmelen. Det ligner stjernekartet i vår galakse, bortsett fra at det fremhever den galaktiske skiven sterkt. Eldre kilder er utarmet i gammastråler, så de er relativt nye punktkilder.
Sammenlignet med dette kartet vil kartet med sorte hull være:
- mer konsentrert i det galaktiske sentrum;
- litt mer uskarpt i bredden;
- inkluderer galaktisk bule;
- består av 100 millioner objekter, pluss eller minus feilen.
Hvis du oppretter en hybrid av Fermi-kartet (over) og COBE-galakskartet (under), kan du få et kvantitativt bilde av plasseringen av sorte hull i galaksen.
Galaxy synlig i infrarød fra COBE. Selv om dette kartet viser stjerner, vil svarte hull følge en lignende fordeling, om enn mer komprimert i det galaktiske planet og mer sentralisert mot buen.
Svarte hull er reelle, vanlige, og de aller fleste av dem er ekstremt vanskelige å oppdage i dag. Universet har eksistert i veldig lang tid, og selv om vi ser et stort antall stjerner, har de fleste av de mest massive stjernene - 95% eller mer - for lengst død. Hva har de blitt? Omtrent en fjerdedel av dem har blitt sorte hull, millioner gjemmer seg fortsatt.
Et svart hull milliarder ganger mer massivt enn solen mater røntgenstrålen i sentrum av M87, men det må være milliarder andre sorte hull i denne galaksen. Tettheten deres vil bli konsentrert i det galaktiske sentrum
Elliptiske galakser virvler sorte hull inn i en elliptisk sverm som svermer rundt det galaktiske sentrum, omtrent som stjernene vi ser. Mange sorte hull migrerer til slutt til tyngdekraftsbrønnen i sentrum av galaksen - det er derfor supermassive sorte hull blir supermassive. Men vi ser ikke hele bildet ennå. Og vi får ikke se før vi lærer hvordan vi kvalitativt kan visualisere sorte hull.
I fravær av direkte visualisering, gir vitenskap oss bare dette og forteller oss noe bemerkelsesverdig: for hvert tusen stjerner vi ser i dag, er det omtrent ett svart hull. Ikke en dårlig statistikk for helt usynlige objekter, du må være enig.
ILYA KHEL
