Скільки у Всесвіті чорних дір?

Втретє за історію ми безпосередньо виявили незаперечну сигнатуру чорних дір: гравітаційні хвилі, що з’явилися в результаті їх злиття. У поєднанні з тим, що ми вже знаємо про зіркові орбіти біля галактичного центру, рентгенівських і радіонаблюденій інших галактик, вимірювань швидкості руху газу, заперечувати існування чорних дір ну ніяк не можна. Але чи вистачить нам інформації, з цих та інших джерел, щоб розповісти нам, скільки насправді у Всесвіті чорних дір і як вони розподіляються? Справді, як багато у Всесвіті чорних дір, якщо порівнювати з видимими зірками? Перше, що ви хотіли б зробити, це перейти до прямих спостереженнями. І це дуже добрий початок.

У цьому регіоні сотні надмасивних чорних дір Наш кращий рентгенівський телескоп на сьогоднішній день – це рентгенівська обсерваторія Чандра. Зі своєї позиції на орбіті Землі вона може ідентифікувати навіть поодинокі фотони з віддалених джерел рентгенівського випромінювання.

Створюючи глибокі зображення істотних ділянок неба, вона може ідентифікувати буквально сотні рентгенівських джерел, кожен з яких відповідає далекій галактиці за межами нашої власної. Грунтуючись на енергетичному спектрі отриманих фотонів, ми бачимо надмасивні чорні діри в центрі кожної галактики. Але яким би неймовірним не було це відкриття, в світі набагато більше чорних дір, ніж по одній на галактику. Звичайно, в кожній галактиці, в середньому, є щонайменше мільйони чи мільярди сонячних мас, але ми бачимо далеко не все.Маси відомих бінарних систем чорних дір, включаючи три перевірених злиття і одного кандидата на злиття від LIGO Нещодавно LIGO заявила про своє третьому прямому виявленні потужного гравітаційного сигналу від злиття бінарних чорних дір, що підтвердило поширеність таких систем по Всесвіту. У нас поки недостатньо статистики, щоб отримати числову оцінку, оскільки поріг помилки надто високий. Але якщо взяти за основу поточний поріг LIGO і той факт, що вона знаходить сигнал раз в два місяці (в середньому), можна з упевненістю сказати, що в кожній галактиці розміром з Чумацький Шлях, яку ми можемо зондувати, є як мінімум з десяток таких систем.Діапазон Advanced LIGO і її можливість виявлення зливаються чорних дір Більш того, наші рентгенівські дані показують, що є багато бінарних чорних дір з меншою масою; можливо, значно більше, ніж масивних, які може знайти LIGO. І це навіть не враховуючи дані, що вказують на існування чорних дір, які не включені в жорсткі бінарні системи, а їх повинно бути більшість. Якщо в нашій галактиці є десятки чорних дір середньої і високої маси (в 10-100 сонячних мас), повинні бути сотні (3-15 сонячних мас) бінарних чорних дір і тисячі ізольованих (небінарних) чорних дір зоряної маси. Тут варто зробити акцент на «як мінімум». Тому що чорні діри чертовски складно шукати. Поки що ми можемо бачити лише найактивніші, найпотужніші і найвидатніші. Чорні діри, які закручуються по спіралі і зливаються, прекрасні, але такі конфігурації повинні бути космологічно рідкісними. Ті, що побачила Чандра, є найбільш масивними, активними і все таке, але більшість чорних дір не є монстрами в мільйони-мільярди сонячних мас, і більшість великих чорних дір неактивні в даний час. Ми спостерігаємо лише малу фракцію чорних дір, і це варто розуміти, незважаючи на всю пишноту спостережуваного.Те, що ми сприймаємо як вибух гамма-випромінювання, може виникати в процесі злиття нейтронних зірок, які викидають речовину у Всесвіт і створюють найважчі з відомих елементів, але також породжують чорну діру в кінці І все ж у нас є спосіб отримати якісну оцінку кількості і розподілу чорних дір: ми знаємо, як вони утворюються. Ми знаємо, як зробити їх з молодих і масивних зірок, які стають надновими, з нейтронних зірок, які зливаються, і в процесі прямого колапсу. І хоча оптичні сигнатури створення чорної діри вкрай неоднозначні, ми побачили досить зірок, їх смерті, катастрофічних подій і зореутворення за всю історію Всесвіту, щоб мати можливість знайти саме ті цифри, які шукаємо.

Останки наднової, народженої з масивної зірки, залишають після себе колапсує об’єкт: або чорну діру, або нейтронну зірку, з якої в подальшому може утворитися чорна діра за певних умов Три ці способи створення чорних дір все сягають корінням, якщо простежити всі до кінця, в масивні регіони зореутворення.

Щоб отримати: Наднову, вам потрібна зірка, яка буде в 8-10 разів більша за масу Сонця. Зірки більше 20-40 сонячних мас дадуть вам чорну діру; зірки менше – нейтронну зірку. Нейтронну зірку, що зливається в чорну діру, потрібно або дві нейтронних зірок, танцюючих в спіралі або стикаються, або нейтронна зірка, що висмоктує масу з зірки-компаньйона до певної межі (близько 2,5-3 сонячних мас), щоб стати чорною дірою. Прямий колапс чорної діри, вам потрібно досить матеріалу в одному місці для освіти зірки в 25 разів масивніше Сонця, і певні умови, щоб точно отримати чорну діру (а не наднову).Фотографії Хаббла показують масивну зірку в 25 разів масивніше Сонця, яка просто зникла, без освіти наднової або іншого пояснення. Прямий колапс буде єдиним можливим поясненням В наших околицях ми можемо виміряти, з усіх утворюються зірок, скільки з них мають правильну масу, щоб потенційно стати чорною дірою. Ми знаходимо, що лише 0,1-0,2% всіх зірок поблизу мають досить маси, щоб стати наднової, причому переважна більшість утворює нейтронні зірки. Близько половини систем, які утворюють бінарні (двійкові) системи, однак, включають зірки порівнянних мас. Іншими словами, більшість з 400 мільярдів зірок, що сформувалися в нашій галактиці, ніколи не стануть чорними дірами.Сучасна система спектральної класифікації систем Моргана-Кінана з температурним діапазоном кожного зоряного класу в кельвінах. Переважаюча більшість (75%) зірок сьогодні – зірки М-класу, з яких лише 1 на 800 досить масивна, щоб стати наднової Але це нормально, тому що деякі з них стануть. Що ще більш важливо, багато хто вже стали, хоч і в далекому минулому. При утворенні зірок ви отримуєте розподіл мас: ви отримуєте кілька масивних зірок, трохи більше середніх по масі і дуже багато маломасивних. Настільки багато, що маломасивні зірки М-класу (червоні карлики) з масою всього в 8-40% сонячної складають три чверті зірок в наших околицях. У нових скупченнях зірок буде не так багато масивних зірок, які можуть стати надновими. Але в минулому звездообразующіе регіони були набагато більше і багатше масою, ніж Чумацький Шлях сьогодні.

Вище ви бачите 30 Doradus, найбільший звездообразующій регіон в місцевій групі, з масою в 400 000 сонць. У цьому регіоні тисячі гарячих, дуже синіх зірок, з яких сотні стануть надновими. 10-30% з них перетворяться в чорні діри, а решта стануть нейтронними зірками. Якщо припустити, що: в нашій галактиці було багато таких регіонів в минулому; найбільші звездообразующіе регіони зосереджені уздовж спіральних рукавів і по напрямку до галактичного центру; де ми бачимо пульсари (останки нейтронних зірок) і джерела гамма-променів сьогодні, будуть чорні діри, ми можемо скласти карту і показати на ній, де будуть чорні діри.Супутник NASA “Фермі” склав карту високих енергій Всесвіту у високій роздільній здатності. Чорні діри в галактиці на мапі найімовірніше будуть слідувати викидів з невеликим розкидом і вирішуватися мільйонами окремих джерел Це карта гамма-променевих джерел неба, складена “Фермі”. Вона схожа на зоряну карту нашої галактики, хіба що сильно висвічує галактичний диск.

Більш старі джерела збідніли на гамма-промені, тому це відносно нові точкові джерела. У порівнянні з цією картою, карта чорних дір буде: більш зосередженою в галактичному центрі; трохи більш розмитою по ширині; включати галактичну опуклість; складатися з 100 мільйонів об’єктів, плюс-мінус похибка. Якщо створити гібрид карти “Фермі” (вище) і карту галактики COBE (нижче), можна отримати кількісну картину розташування чорних дір в галактиці.Галактика, видима в інфрачервоному від COBE. Хоча ця карта показує зірки, чорні діри будуть слідувати схожим розподілу, хоч і більш стислому в галактичної площини і більш централізованого до опуклості Чорні діри реальні, поширені і переважна більшість з них вкрай важко виявити сьогодні. Всесвіт існує дуже давно, і хоча ми бачимо величезну кількість зірок, більшість з найбільш масивних зірок – 95% і більше – вже давно загинули. Чим вони стали? Близько чверті з них стали чорними дірами, мільйони ще ховаються.

Еліптичні галактики закручують чорні діри в еліптичний рій, що скупчується навколо галактичного центру, приблизно як і зірки, що ми бачимо. Багато чорні діри з часом мігрують в гравітаційний колодязь в центрі галактики – тому надмасивні чорні діри і стають надмасивними. Але ми поки не бачимо цієї картини цілком. І не побачимо, поки не навчимося якісно візуалізувати чорні діри. За відсутності прямої візуалізації, наука дає нам тільки це і розповідає дещо визначна: на кожну тисячу зірок, що ми бачимо сьогодні, є приблизно одна чорна діра. Непогана статистика для абсолютно невидимих ​​об’єктів, погодьтеся.

Взято з hi-news.ru

Не пропустіть: