Po raz trzeci w historii bezpośrednio odkryliśmy niezaprzeczalną sygnaturę czarnych dziur: fale grawitacyjne z ich połączenia. W połączeniu z tym, co już wiemy o orbitach gwiazd w pobliżu centrum galaktyki, obserwacjami rentgenowskimi i radiowymi innych galaktyk, pomiarami prędkości ruchu gazu, nie można zaprzeczyć istnieniu czarnych dziur. Ale czy będziemy mieli wystarczająco dużo informacji z tych i innych źródeł, aby powiedzieć nam, ile naprawdę czarnych dziur znajduje się we Wszechświecie i jak są one rozmieszczone?
Rzeczywiście, ile czarnych dziur znajduje się we Wszechświecie w porównaniu z widocznymi gwiazdami?
Pierwszą rzeczą, którą chciałbyś zrobić, jest przejście do bezpośredniej obserwacji. A to świetny początek.
Mapa ekspozycji 7 milionów sekund wykonana przez Chandra Deep Field-South. W tym regionie są setki supermasywnych czarnych dziur
Naszym najlepszym dotychczas teleskopem rentgenowskim jest obserwatorium rentgenowskie Chandra. Ze swojego położenia na orbicie Ziemi może zidentyfikować nawet pojedyncze fotony z odległych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Tworząc głębokie obrazy znacznych części nieba, może zidentyfikować dosłownie setki źródeł promieniowania rentgenowskiego, z których każde odpowiada odległej galaktyce poza naszą własną. Opierając się na widmie energii odebranych fotonów, widzimy supermasywne czarne dziury w centrum każdej galaktyki.
Ale chociaż to odkrycie jest niewiarygodne, na świecie jest o wiele więcej czarnych dziur niż jedna na galaktykę. Oczywiście w każdej galaktyce średnio są co najmniej miliony lub miliardy mas Słońca, ale nie widzimy wszystkiego.
Masy znanych binarnych systemów czarnych dziur, w tym trzy zweryfikowane fuzje i jeden kandydat do fuzji z LIGO
Film promocyjny:
LIGO ogłosiło niedawno trzecie bezpośrednie wykrycie silnego sygnału grawitacyjnego z połączenia podwójnych czarnych dziur, potwierdzając powszechność takich systemów we wszechświecie. Nie mamy jeszcze wystarczających statystyk, aby uzyskać szacunki liczbowe, ponieważ próg błędu jest zbyt wysoki. Ale jeśli weźmiemy za podstawę aktualny próg LIGO i fakt, że znajduje sygnał co dwa miesiące (średnio), możemy śmiało powiedzieć, że w każdej galaktyce wielkości Drogi Mlecznej, którą możemy sondować, jest co najmniej kilkanaście takich systemy.
Zaawansowany zakres LIGO i jego zdolność do wykrywania łączących się czarnych dziur
Co więcej, nasze dane rentgenowskie pokazują, że istnieje wiele podwójnych czarnych dziur o mniejszej masie; być może znacznie więcej niż te ogromne, które LIGO może znaleźć. I to nawet nie biorąc pod uwagę danych wskazujących na istnienie czarnych dziur, których nie ma w sztywnych układach podwójnych, a musi ich być większość. Jeśli nasza galaktyka ma dziesiątki czarnych dziur o średniej i dużej masie (10-100 mas Słońca), to muszą istnieć setki (3-15 mas Słońca) podwójnych czarnych dziur i tysiące izolowanych (niebinarnych) czarnych dziur o masie gwiazdowej.
Nacisk położony jest tutaj na „przynajmniej”.
Ponieważ czarne dziury są tak cholernie trudne do znalezienia. Jak dotąd możemy zobaczyć tylko najbardziej aktywne, najbardziej masywne i najwybitniejsze. Czarne dziury, które spiralnie i zlewają się, są świetne, ale takie konfiguracje powinny być kosmologicznie rzadkie. Te, które widziała Chandra, są najbardziej masywne, aktywne i wszystkie, ale większość czarnych dziur nie jest potworami w milionach miliardów mas Słońca, a większość dużych czarnych dziur jest obecnie nieaktywna. Obserwujemy tylko niewielki ułamek czarnych dziur i warto to zrozumieć, pomimo całej obserwowanej wspaniałości.
To, co postrzegamy jako wybuch promieniowania gamma, może nastąpić w wyniku połączenia się gwiazd neutronowych, które wyrzucają materię do wszechświata i tworzą najcięższe znane pierwiastki, ale także tworzą na końcu czarną dziurę.
A jednak mamy sposób na jakościowe oszacowanie liczby i rozmieszczenia czarnych dziur: wiemy, jak powstają. Wiemy, jak zrobić je z młodych i masywnych gwiazd, które przechodzą w supernowe, z gwiazd neutronowych, które się łączą iw bezpośrednim zapadnięciu. I chociaż optyczne sygnatury powstania czarnej dziury są niezwykle niejednoznaczne, widzieliśmy wystarczająco dużo gwiazd, ich śmierci, katastrof i formowania się gwiazd w całej historii Wszechświata, aby móc znaleźć dokładnie te liczby, których szukamy.
Pozostałości supernowej zrodzonej z masywnej gwiazdy pozostawiają zapadający się obiekt: albo czarną dziurę, albo gwiazdę neutronową, z której później może powstać czarna dziura w określonych warunkach
Wszystkie te trzy sposoby tworzenia czarnych dziur mają swoje korzenie, jeśli podążasz za nimi, w masywnych obszarach formowania się gwiazd. Pozyskać:
- Supernowa, potrzebujesz gwiazdy o masie 8-10 razy większej od Słońca. Gwiazdy powyżej 20-40 mas Słońca dadzą ci czarną dziurę; mniejsze gwiazdy - gwiazda neutronowa.
- Gwiazda neutronowa łącząca się w czarną dziurę potrzebuje albo dwóch gwiazd neutronowych tańczących w spiralach lub zderzających się, albo gwiazdy neutronowej wysysającej masę z gwiazdy towarzyszącej do określonej granicy (około 2,5-3 mas Słońca), aby stać się czarną dziurą.
- Bezpośrednie zapadnięcie się czarnej dziury, potrzebujesz wystarczającej ilości materiału w jednym miejscu, aby uformować gwiazdę 25 razy masywniejszą niż Słońce, i pewne warunki, aby dokładnie uzyskać czarną dziurę (nie supernową).
Zdjęcia z Hubble'a pokazują masywną gwiazdę 25 razy masywniejszą niż Słońce, która po prostu zniknęła bez supernowej lub innego wyjaśnienia. Jedynym możliwym wyjaśnieniem będzie bezpośredni upadek
W naszym sąsiedztwie możemy zmierzyć ze wszystkich tworzących się gwiazd, ile z nich ma odpowiednią masę, aby potencjalnie stać się czarną dziurą. Stwierdzamy, że tylko 0,1-0,2% wszystkich pobliskich gwiazd ma wystarczającą masę, aby stać się supernową, a zdecydowana większość tworzy gwiazdy neutronowe. Jednak około połowa układów tworzących układy podwójne (binarne) zawiera gwiazdy o porównywalnych masach. Innymi słowy, większość z 400 miliardów gwiazd, które uformowały się w naszej galaktyce, nigdy nie stanie się czarnymi dziurami.
Nowoczesny system klasyfikacji widmowej systemów Morgana-Keenana z zakresem temperatur każdej klasy gwiazd w kelwinach. Zdecydowana większość (75%) dzisiejszych gwiazd to gwiazdy klasy M, z których tylko 1 na 800 jest wystarczająco masywna, aby stać się supernową
Ale to w porządku, ponieważ niektórzy z nich to zrobią. Co ważniejsze, wielu już się stało, choć w odległej przeszłości. Kiedy formują się gwiazdy, otrzymujesz rozkład masy: dostajesz kilka masywnych gwiazd, nieco większych niż przeciętne, i wiele gwiazd o małej masie. Tak wiele gwiazd o małej masie klasy M (czerwone karły) o masie zaledwie 8-40% masy Słońca stanowi trzy czwarte gwiazd w naszym sąsiedztwie. Nowe gromady gwiazd nie będą miały wielu masywnych gwiazd, które mogłyby stać się supernowymi. Ale w przeszłości regiony gwiazdotwórcze były znacznie większe i bogatsze pod względem masy niż obecnie Droga Mleczna.
Największy gwiezdny żłobek w lokalnej grupie, 30 Doradus w Mgławicy Tarantula, zawiera najbardziej masywne gwiazdy znane człowiekowi. Setki z nich (w ciągu najbliższych kilku milionów lat) staną się czarnymi dziurami
Powyżej widać 30 Doradus, największy region gwiazdotwórczy w lokalnej grupie, o masie 400 000 słońc. W tym regionie są tysiące gorących, bardzo niebieskich gwiazd, z których setki staną się supernowymi. 10-30% z nich zamieni się w czarne dziury, a reszta w gwiazdy neutronowe. Przy założeniu, że:
- w przeszłości było wiele takich regionów w naszej galaktyce;
- największe regiony gwiazdotwórcze są skoncentrowane wzdłuż ramion spiralnych w kierunku centrum galaktyki;
- tam, gdzie dziś widzimy pulsary (pozostałości gwiazd neutronowych) i źródła promieniowania gamma, będą czarne dziury, - możemy zrobić mapę i pokazać na niej, gdzie będą czarne dziury.
Satelita Fermi NASA sporządził mapę wysokich energii wszechświata w wysokiej rozdzielczości. Czarne dziury w galaktyce na mapie prawdopodobnie następują po małych wyrzutach rozproszonych i są rozwiązywane przez miliony oddzielnych źródeł.
To jest mapa źródeł promieniowania gamma na niebie Fermiego. Jest podobna do mapy gwiazd naszej galaktyki, z tym wyjątkiem, że silnie podkreśla dysk galaktyczny. Starsze źródła są pozbawione promieniowania gamma, więc są stosunkowo nowymi źródłami punktowymi.
W porównaniu z tą mapą mapa czarnej dziury będzie wyglądać następująco:
- bardziej skoncentrowany w centrum galaktyki;
- nieco bardziej rozmyta szerokość;
- zawierać wybrzuszenie galaktyczne;
- składa się ze 100 milionów obiektów plus lub minus błąd.
Jeśli utworzysz hybrydę mapy Fermiego (powyżej) i mapy galaktyki COBE (poniżej), możesz uzyskać ilościowy obraz lokalizacji czarnych dziur w galaktyce.
Galaktyka widoczna w podczerwieni z COBE. Chociaż ta mapa pokazuje gwiazdy, czarne dziury będą miały podobny rozkład, choć bardziej ściśnięty w płaszczyźnie galaktycznej i bardziej scentralizowany w kierunku wybrzuszenia.
Czarne dziury są prawdziwe, powszechne, a większość z nich jest obecnie niezwykle trudna do wykrycia. Wszechświat istnieje od bardzo dawna i chociaż widzimy ogromną liczbę gwiazd, większość najbardziej masywnych gwiazd - 95% lub więcej - już dawno umarła. Kim oni się stali? Około jedna czwarta z nich stała się czarnymi dziurami, miliony wciąż się ukrywają.
Czarna dziura miliardy razy masywniejsza niż Słońce zasila dżet rentgenowski w centrum M87, ale w tej galaktyce muszą być miliardy innych czarnych dziur. Ich gęstość będzie skoncentrowana w centrum galaktyki
Galaktyki eliptyczne wirują czarne dziury w eliptyczny rój, który roi się wokół centrum galaktyki, podobnie jak gwiazdy, które widzimy. Wiele czarnych dziur w końcu migruje do studni grawitacyjnej w centrum galaktyki - dlatego supermasywne czarne dziury stają się supermasywne. Ale nie widzimy jeszcze całego obrazu. I nie zobaczymy, dopóki nie nauczymy się, jak jakościowo wizualizować czarne dziury.
Przy braku bezpośredniej wizualizacji nauka daje nam tylko to i mówi nam coś niezwykłego: na każdy tysiąc gwiazd, które widzimy dzisiaj, przypada mniej więcej jedna czarna dziura. Niezłe statystyki dla całkowicie niewidocznych obiektów, musisz się zgodzić.
ILYA KHEL
