För tredje gången i historien har vi direkt upptäckt svarta håls obestridliga signatur: gravitationella vågor från deras sammanslagning. Kombinerat med vad vi redan vet om stjärnbanor nära det galaktiska centrumet, röntgen- och radioobservationer av andra galaxer, mätningar av gasrörelsens hastighet, är det omöjligt att förneka förekomsten av svarta hål. Men kommer vi att ha tillräckligt med information från dessa och andra källor för att berätta för oss hur många svarta hål det verkligen finns i universum och hur de fördelas?
Faktum är hur många svarta hål finns det i universum jämfört med synliga stjärnor?
Det första du vill göra är att gå vidare till direkt observation. Och det här är en bra start.
7 miljoner sekunders exponeringskarta av Chandra Deep Field-South. Det finns hundratals supermassiva svarta hål i denna region
Vårt bästa röntgenteleskop hittills är röntgenobservatoriet Chandra. Från sin position i jordens omlopp kan den identifiera till och med enstaka fotoner från avlägsna röntgenkällor. Genom att skapa djupa bilder av betydande delar av himlen kan den identifiera bokstavligen hundratals röntgenkällor, var och en motsvarar en avlägsen galax bortom vår egen. Baserat på det mottagna fotons energispektrum kan vi se supermassiva svarta hål i mitten av varje galax.
Men så otroligt som denna upptäckt är, det finns många fler svarta hål i världen än en per galax. Naturligtvis finns det i varje galax i genomsnitt minst miljoner eller miljarder solmassor, men vi ser inte allt.
Massorna av kända binära svarta hålsystem, inklusive tre verifierade sammanslagningar och en fusionskandidat från LIGO
Kampanjvideo:
LIGO tillkännagav nyligen sin tredje direkta detektering av en kraftfull gravitationssignal från en sammanslagning av binära svarta hål, vilket bekräftar förekomsten av sådana system i hela universum. Vi har inte tillräckligt med statistik ännu för att få en numerisk uppskattning eftersom felgränsen är för hög. Men om vi tar utgången av LIGO: s nuvarande tröskel och det faktum att den hittar en signal varannan månad (i genomsnitt), är det säkert att säga att i varje galax på samma sätt som Vintergatan som vi kan sondra finns det minst ett dussin system.
Avancerat LIGO-sortiment och dess förmåga att upptäcka sammanslagning av svarta hål
Dessutom visar våra röntgendata att det finns många binära svarta hål med lägre massa; kanske betydligt mer än de massiva som LIGO kan hitta. Och detta tar inte ens hänsyn till data som indikerar förekomsten av svarta hål, som inte ingår i styva binära system, och det måste finnas en majoritet av dem. Om vår galax har dussintals svarta hål med medelhög och hög massa (10-100 solmassor) måste det finnas hundratals (3-15 solmassor) binära svarta hål och tusentals isolerade (icke-binära) svarta hål med stjärnmassa.
Tyngdpunkten här ligger på "åtminstone".
Eftersom svarta hål är så jävla svåra att hitta. Hittills kan vi bara se de mest aktiva, mest massiva och mest framträdande. Svarta hål som spiralerar och sammanfaller är fantastiska, men sådana konfigurationer bör vara kosmologiskt sällsynta. De som Chandra har sett är de mest massiva, aktiva och alla, men de flesta svarta hål är inte monster i miljontals miljarder solmassor, och de flesta av de stora svarta hålen är inaktiva för närvarande. Vi observerar endast en liten bråkdel av svarta hål, och det är värt att förstå, trots det observerade.
Det vi uppfattar som en burst av gammastrålning kan inträffa genom sammanslagning av neutronstjärnor, som matar ut materia i universum och skapar de tyngsta kända elementen, men också skapar ett svart hål i slutändan.
Och ändå har vi ett sätt att få en kvalitativ uppskattning av antalet och fördelningen av svarta hål: vi vet hur de bildas. Vi vet hur man gör dem från unga och massiva stjärnor som går supernova, från neutronstjärnor som sammanfaller och i direkt kollaps. Och även om de optiska signaturerna för skapandet av ett svart hål är extremt tvetydiga, har vi sett tillräckligt med stjärnor, deras dödsfall, katastrofala händelser och stjärnbildningar genom universums historia för att kunna hitta exakt de siffror vi letar efter.
Resterna av en supernova födda från en massiv stjärna lämnar ett kollapsande föremål: antingen ett svart hål eller en neutronstjärna, från vilken ett svart hål senare kan bildas under vissa förhållanden
Dessa tre sätt att skapa svarta hål har alla sina rötter, om du följer dem hela vägen, till massiva regioner med stjärnbildning. För att uppnå:
- Supernova, du behöver en stjärna som blir 8-10 gånger solens massa. Stjärnor större än 20-40 solmassor ger dig ett svart hål; mindre stjärnor - en neutronstjärna.
- En neutronstjärna som smälter samman i ett svart hål behöver antingen två neutronstjärnor som dansar i spiraler eller kolliderar, eller att en neutronstjärna suger ut massa från en följeslagare upp till en viss gräns (cirka 2,5-3 solmassor) för att bli ett svart hål.
- Direkt kollaps av ett svart hål, du behöver tillräckligt med material på ett ställe för att bilda en stjärna 25 gånger mer massiv än solen, och vissa förhållanden för att exakt få ett svart hål (inte en supernova).
Hubble-fotografier visar en massiv stjärna 25 gånger mer massiv än solen, som helt enkelt försvann utan supernova eller annan förklaring. Direkt kollaps kommer att vara den enda möjliga förklaringen
I vår närhet kan vi mäta, av alla stjärnor som bildas, hur många av dem som har rätt massa för att potentiellt bli ett svart hål. Vi finner att endast 0,1-0,2% av alla närliggande stjärnor har tillräckligt med massa för att bli supernova, där de allra flesta bildar neutronstjärnor. Cirka hälften av systemen som bildar binära (binära) system inkluderar dock stjärnor av jämförbara massor. Med andra ord kommer de flesta av de 400 miljarder stjärnor som har bildats i vår galax aldrig att bli svarta hål.
Ett modernt spektralklassificeringssystem för Morgan-Keenan-system med temperaturområdet för varje stjärnklass i Kelvin. Den stora majoriteten (75%) av stjärnorna idag är M-klassstjärnor, varav endast 1 av 800 är tillräckligt stora för att bli supernova
Men det är okej, för vissa av dem kommer att göra det. Ännu viktigare är att många redan har blivit, om än i det avlägsna förflutna. När stjärnor bildas får du en massfördelning: du får några massiva stjärnor, något större än genomsnittliga, och många lågmassa. Så många att M-klassstjärnor med låg massa (röda dvärgar) med en massa på bara 8-40% av solmassan utgör tre fjärdedelar av stjärnorna i vår närhet. Nya stjärnkluster kommer inte att ha många massiva stjärnor som kan bli supernova. Men tidigare var de stjärnbildande regionerna mycket större och rikare i massa än Vintergatan är idag.
Den största stjärnplantskolan i den lokala gruppen, 30 Doradus i Tarantula-nebulosan, innehåller de mest massiva stjärnor som människan känner till. Hundratals av dem (de närmaste miljoner åren) kommer att bli svarta hål
Ovan ser du 30 Doradus, den största stjärnbildande regionen i den lokala gruppen, med en massa på 400 000 solar. Det finns tusentals heta, mycket blå stjärnor i denna region, varav hundratals kommer att bli supernova. 10-30% av dem förvandlas till svarta hål och resten blir neutronstjärnor. Antar det:
- det fanns många sådana regioner i vår galax tidigare;
- de största stjärnbildande regionerna är koncentrerade längs spiralarmarna och mot det galaktiska centrumet;
- där vi ser pulsarer (resterna av neutronstjärnor) och gammakällor idag kommer det att finnas svarta hål, - vi kan skapa en karta och visa på var de svarta hålen kommer att vara.
NASAs Fermi-satellit har kartlagt universums höga energier i hög upplösning. Svarta hål i en galax på en karta kommer sannolikt att följa utkastningar med liten spridning och lösas av miljontals separata källor.
Det här är Fermis karta över gammastrålningskällor på himlen. Det liknar stjärnkartan i vår galax, förutom att den starkt belyser den galaktiska skivan. Äldre källor är utarmade i gammastrålar, så de är relativt nya punktkällor.
Jämfört med den här kartan kommer kartan med svarta hål att vara:
- mer koncentrerad i det galaktiska centrumet;
- något mer suddig i bredden;
- inkluderar galaktisk utbuktning;
- består av 100 miljoner objekt plus eller minus felet.
Om du skapar en hybrid av Fermi-kartan (ovan) och COBE-galaxkartan (nedan) kan du få en kvantitativ bild av placeringen av svarta hål i galaxen.
Galaxy synlig i infraröd från COBE. Även om den här kartan visar stjärnor kommer svarta hål att följa en liknande fördelning, om än mer komprimerad i det galaktiska planet och mer centraliserat mot utbuktningen.
Svarta hål är verkliga, vanliga och de allra flesta är extremt svåra att upptäcka idag. Universum har funnits under mycket lång tid, och även om vi ser ett stort antal stjärnor, har de flesta av de mest massiva stjärnorna - 95% eller mer - för länge sedan dött. Vad har de blivit? Cirka en fjärdedel av dem har blivit svarta hål, miljoner gömmer sig fortfarande.
Ett svart hål miljarder gånger mer massivt än solen matar röntgenstrålen i centrum av M87, men det måste finnas miljarder andra svarta hål i denna galax. Deras densitet kommer att koncentreras i det galaktiska centrumet
Elliptiska galaxer virvlar svarta hål i en elliptisk svärm som svärmar runt det galaktiska centrumet, ungefär som stjärnorna vi ser. Många svarta hål migrerar så småningom till tyngdkraftsbrunnen i centrum av galaxen - varför supermassiva svarta hål blir supermassiva. Men vi ser inte hela bilden än. Och vi kommer inte att se förrän vi lär oss hur man kvalitativt kan visualisera svarta hål.
I avsaknad av direkt visualisering ger vetenskapen oss bara detta och säger oss något anmärkningsvärt: för varje tusen stjärnor vi ser idag finns det ungefär ett svart hål. Inte en dålig statistik för helt osynliga objekt, du måste hålla med.
ILYA KHEL