Колко черни дупки има във Вселената

За трети път в историята директно открихме неоспоримия подпис на черните дупки: гравитационни вълни, произтичащи от тяхното сливане. В комбинация с това, което вече знаем за звездните орбити в близост до галактическия център, рентгенови и радионаблюдения на други галактики, измервания на скоростта на газа, в никакъв случай не е невъзможно да се отрече съществуването на черни дупки. Но ще имаме ли достатъчно информация от тези и други източници, за да ни кажем колко черни дупки всъщност съществуват във Вселената и как са разпределени?

Наистина, колко черни дупки има във Вселената в сравнение с видимите звезди?

Първото нещо, което бихте искали да направите, е да отидете на директни наблюдения. И това е страхотно начало.

Карта на експозиция от 7 милиона секунди от Chandra Deep Field—South. В този регион има стотици свръхмасивни черни дупки

Нашият най-добър рентгенов телескоп до момента е рентгеновата обсерватория Чандра. От позицията си в орбитата на Земята той може дори да идентифицира единични фотони от отдалечени рентгенови източници. Създавайки дълбоки изображения на значителни части от небето, той може да идентифицира буквално стотици рентгенови източници, всеки от които съответства на далечна галактика извън нашата. Въз основа на енергийния спектър на получените фотони виждаме свръхмасивни черни дупки в центъра на всяка галактика.

Но колкото и невероятно да е това откритие, в света има много повече черни дупки, отколкото има по една на галактика. Разбира се, във всяка галактика средно има поне милиони или милиарди слънчеви маси, но ние не виждаме всичко.

Маси известни двоични системи на черни дупки, включително три доказанисливане и един кандидат за сливане от LIGO

LIGO наскоро обяви третото си директно откриване на мощен гравитационен сигнал от двоични сливания на черни дупки, потвърждавайки разпространението на такива системи във Вселената. Все още нямаме достатъчно статистически данни, за да дадем числена оценка, тъй като прагът на грешка е твърде висок. Но въз основа на текущия праг на LIGO и факта, че намира сигнал веднъж на всеки два месеца (средно), е безопасно да се каже, че във всяка галактика с размерите на Млечния път има поне дузина такива системи, които можем да изследваме.

Разширена гама LIGO и нейната способност да открива сливащи се черни дупки

Нещо повече, нашите рентгенови данни показват, че има много двоични черни дупки с по-ниска маса; може би значително повече от масивните, които LIGO може да намери. И това дори не се вземат предвид данните, показващи съществуването на черни дупки, които не са включени в твърдите двоични системи, а те трябва да са мнозинството. Ако има десетки черни дупки със средна до голяма маса (10-100 слънчеви маси) в нашата галактика, трябва да има стотици (3-15 слънчеви маси) двоични черни дупки и хиляди изолирани (недвоични) черни дупки със звездна маса.

Тук си струва да подчертаем "поне".

Защото черните дупки са адски трудни за намиране. Засега можем да видим само най-активните, най-масовите и най-забележителните. Черните дупки, които се спират и се сливат, са страхотни, но подобни конфигурации трябва да са космологично редки. Тези, които Чандра е видял, са най-масивните, активни и всичко останало, но повечето черни дупки не са чудовища с милиони до милиарди слънчеви маси и повечето големи черни дупки са неактивни в момента. Ниение наблюдаваме само малка част от черните дупки и това си струва да се разбере, въпреки цялото великолепие на наблюдаваното.

Това, което възприемаме като изблик на гама лъчи, може да е резултат от сливане на неутронни звезди, които изхвърлят материя във Вселената и създават най-тежките известни елементи, но също така произвеждат черна дупка в края.

И все пак имаме начин да получим качествена оценка на броя и разпределението на черните дупки: знаем как се формират. Ние знаем как да ги направим от млади и масивни звезди, които стават супернови, от неутронни звезди, които се сливат, и в процес на директен колапс. И въпреки че оптичните сигнатури за създаването на черна дупка са много двусмислени, ние сме виждали достатъчно звезди, техните смъртни случаи, катастрофални събития и образуване на звезди в цялата история на Вселената, за да можем да намерим точно числата, които търсим.

Останките от свръхнова, родена от масивна звезда, оставят след себе си колабиращ обект: черна дупка или неутронна звезда, от която по-късно може да се образува черна дупка при определени условия

Всички тези три начина за създаване на черни дупки се коренят, ако проследим целия път назад, до масивни звездообразуващи региони. Придобивам:

Супернова, трябва ти звезда, която е 8-10 пъти по-голяма от масата на Слънцето. Звезди, по-големи от 20-40 слънчеви маси, ще ви дадат черна дупка; по-малки звезди - неутронна звезда.
Неутронна звезда, която се слива в черна дупка, се нуждае или от две неутронни звезди, танцуващи в спирала или сблъскващи се, или неутронна звезда, изсмукваща маса от друга звезда до определена граница (около 2,5-3 слънчеви маси), за да стане черна дупка.
Направо колапс на черна дупка, имате нужда от достатъчноматериал на едно място, за да се образува звезда, 25 пъти по-масивна от слънцето, и определени условия, за да се получи точно черна дупка (а не супернова).

Снимките на Хъбъл показват масивна звезда, 25 пъти по-масивна от Слънцето, която просто е изчезнала, без свръхнова или друго обяснение. Директният колапс би бил единственото възможно обяснение

В близост до нас можем да измерим от всички звезди, които се образуват, колко от тях имат правилната маса потенциално да се превърнат в черна дупка. Откриваме, че само 0,1-0,2% от всички близки звезди имат достатъчно маса, за да се превърнат в супернова, като по-голямата част от тях образуват неутронни звезди. Около половината от системите, които образуват двоични (двоични) системи, обаче включват звезди със сравнима маса. С други думи, повечето от 400-те милиарда звезди, които са се образували в нашата галактика, никога няма да се превърнат в черни дупки.

Модерна система за спектрална класификация на системите на Morgan-Keenan, с температурния диапазон на всеки звезден клас в келвини. По-голямата част (75%) от звездите днес са звезди от клас М, от които само 1 на 800 е достатъчно масивна, за да стане свръхнова.

Но това е добре, защото някои от тях ще го направят. По-важното е, че много вече са станали, макар и в далечното минало. Когато се образуват звезди, получавате разпределение на масите: получавате няколко масивни звезди, няколко повече средни маси и много такива с ниска маса. Толкова много, че звездите от клас М с ниска маса (червени джуджета) с маса само 8-40% от слънчевата маса съставляват три четвърти от звездите в близост до нас. Новите клъстери от звезди няма да имат много масивни звезди, които да станат свръхнови. Но в миналото имаше звездообразуващи регионимного по-голям и по-богат на маса от Млечния път днес.

Най-големият звезден разсадник в местната група, 30 Doradus в мъглявината Тарантула, съдържа най-масивните звезди, известни на човечеството. Стотици от тях (през следващите няколко милиона години) ще се превърнат в черни дупки

По-горе виждате 30 Doradus, най-големият звездообразуващ регион в местната група, с маса от 400 000 слънца. В този регион има хиляди горещи, много сини звезди, от които стотици ще станат свръхнови. 10-30% от тях ще се превърнат в черни дупки, а останалите ще станат неутронни звезди. Ако приемем, че:

нашата галактика е имала много такива региони в миналото;
най-големите звездообразуващи региони са концентрирани по спиралните ръкави и към галактическия център;
където днес виждаме пулсари (останките от неутронни звезди) и източници на гама лъчи, ще има черни дупки,

можем да направим карта и да покажем на нея къде ще бъдат черните дупки.

Сателитът Fermi на НАСА е картографирал високите енергии на Вселената във висока резолюция. Черните дупки в картографирана галактика е по-вероятно да следват отклонения с малко разпространение и да бъдат разрешени от милиони отделни източници.

Това е картата на Ферми на източниците на гама-лъчи в небето. Прилича на звездна карта на нашата галактика, с изключение на това, че подчертава силно галактическия диск. По-старите източници са изчерпани в гама лъчи, така че това са сравнително нови точкови източници.

В сравнение с тази карта, картата на черната дупка ще бъде:

по-концентриран в галактическия център;
малко по-замъглено по ширина;
включете галактическата издутина;
се състои от 100 милиона обекта, плюс или минус допустимата грешка.

Ако създадете хибрид на картата на Ферми (горе) и картата на галактиката COBE (долу), можете да получите количествена картина на местоположението на черните дупки в галактиката.

Галактика, видима в инфрачервени лъчи от COBE. Въпреки че тази карта показва звездите, черните дупки ще следват подобно разпределение, макар и по-компресирани в галактическата равнина и по-централизирани към изпъкналостта.

Черните дупки са реални, често срещани и по-голямата част от тях са изключително трудни за откриване днес. Вселената съществува от много дълго време и въпреки че виждаме огромен брой звезди, повечето от най-масивните звезди - 95% или повече - отдавна са умрели. В какво са се превърнали? Около една четвърт от тях са се превърнали в черни дупки, а милиони все още дебнат.

Черна дупка, милиарди пъти по-масивна от Слънцето, захранва рентгеновата струя в центъра на M87, но трябва да има милиарди други черни дупки в тази галактика. Тяхната плътност ще бъде концентрирана в галактическия център

Елиптичните галактики въртят черни дупки в елиптичен рояк около галактическия център, подобно на звездите, които виждаме. Много черни дупки в крайна сметка мигрират в гравитационния кладенец в центъра на галактиката, поради което свръхмасивните черни дупки стават свръхмасивни. Но все още не виждаме цялата картина. И няма да видим, докато не се научим как да визуализираме качествено черни дупки.

При липсата на директна визуализация науката ни дава само това и ни казва нещо забележително: на всеки хиляда звезди, които виждаме днес, има около една черна дупка. Не е лоша статистика за напълно невидими обекти, съгласете се.