За трети път в историята директно открихме неоспоримия подпис на черните дупки: гравитационни вълни от тяхното сливане. В комбинация с това, което вече знаем за звездните орбити в близост до галактическия център, рентгеновите и радио наблюденията на други галактики, измерванията на скоростта на движение на газа, е невъзможно да се отрече съществуването на черни дупки. Но ще имаме ли достатъчно информация от тези и други източници, за да ни каже колко черни дупки има във Вселената и как се разпределят?
Всъщност, колко черни дупки има във Вселената в сравнение с видимите звезди?
Първото нещо, което бихте искали да направите, е да преминете към пряко наблюдение. И това е чудесно начало.
Карта на експозицията от 7 милиона секунди от Chandra Deep Field-South. В този регион има стотици свръхмасивни черни дупки
Най-добрият ни рентгенов телескоп до момента е рентгеновата обсерватория Chandra. От позицията си в земната орбита той може да идентифицира дори единични фотони от отдалечени рентгенови източници. Чрез създаването на 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 можем да видим свръхмасивни черни дупки в центъра на всяка галактика.
Но колкото и невероятно да е това откритие, в света има много повече черни дупки, отколкото по една на галактика. Разбира се, във всяка галактика средно има поне милиони или милиарди слънчеви маси, но ние не виждаме всичко.
Масите на известни бинарни системи за черни дупки, включително три проверени сливания и един кандидат за сливане от LIGO
Промоционално видео:
LIGO наскоро обяви третото си директно откриване на мощен гравитационен сигнал от сливане на двоични черни дупки, потвърждавайки разпространението на такива системи във Вселената. Все още нямаме достатъчно статистически данни, за да получим числена оценка, тъй като прагът на грешката е твърде висок. Но ако вземем за основа настоящия праг на LIGO и факта, че той намира сигнал на всеки два месеца (средно), можем спокойно да кажем, че във всяка галактика с размера на Млечния път, който можем да изследваме, има поне дузина такива системи.
Разширена гама LIGO и способността му да открива сливането на черни дупки
Освен това, нашите рентгенови данни показват, че има много двоични черни дупки с по-малка маса; може би значително повече от масивните, които LIGO може да намери. И това дори не взема предвид данните, показващи съществуването на черни дупки, които не са включени в твърди двоични системи и трябва да има мнозинство от тях. Ако нашата галактика има десетки черни дупки със средна и висока маса (10-100 слънчеви маси), би трябвало да има стотици (3-15 слънчеви маси) двоични черни дупки и хиляди изолирани (небинарни) черни дупки със звездна маса.
Тук се набляга на „поне“.
Защото черните дупки е толкова трудно да се намерят. Засега можем да видим само най-активните, най-масовите и най-изявените. Черните дупки, които се спирали и сливат, са страхотни, но такива конфигурации трябва да бъдат космологично редки. Тези, които Чандра е виждала, са най-масивните, активни и всички, но повечето черни дупки не са чудовища от милиони, милиарди слънчеви маси и повечето от големите черни дупки в момента са неактивни. Наблюдаваме само малка част от черните дупки и това си струва да се разбере, въпреки величието на наблюдаваното.
Това, което възприемаме като изблик на гама-лъчение, може да възникне от сливането на неутронни звезди, които изхвърлят материята във Вселената и създават най-тежките известни елементи, но в крайна сметка създават и черна дупка.
И все пак имаме начин да получим качествена оценка на броя и разпространението на черните дупки: знаем как се образуват. Ние знаем как да ги направим от млади и масивни звезди, които отиват свръхнова, от неутронни звезди, които се сливат и са в директен колапс. И въпреки че оптичните подписи за създаването на черна дупка са изключително двусмислени, ние сме виждали достатъчно звезди, тяхната смърт, катастрофални събития и формиране на звезди през цялата история на Вселената, за да можем да намерим точно числата, които търсим.
Останките от свръхнова, родена от масивна звезда, оставят след себе си колапсиращ обект: или черна дупка, или неутронна звезда, от която по-късно при определени условия може да се образува черна дупка
Всички тези три начина за създаване на черни дупки имат своите корени, ако ги следвате по целия път, до масивни области на формиране на звезди. Придобивам:
- Супернова, имате нужда от звезда, която ще бъде 8-10 пъти по-голяма от масата на Слънцето. Звездите, по-големи от 20-40 слънчеви маси, ще ви дадат черна дупка; по-малки звезди - неутронна звезда.
- Неутронната звезда, сливаща се в черна дупка, се нуждае или от две неутронни звезди, танцуващи в спирали или се сблъскват, или неутронна звезда, изсмукваща маса от спътникова звезда до определена граница (около 2,5-3 слънчеви маси), за да стане черна дупка.
- Директен колапс на черна дупка, имате нужда от достатъчно материал на едно място, за да образувате звезда, 25 пъти по-масивна от Слънцето, и определени условия, за да получите точно черна дупка (не супернова).
Снимките на Хъбъл показват масивна звезда, 25 пъти по-масивна от Слънцето, която просто изчезна без свръхнова или друго обяснение. Директният колапс ще бъде единственото възможно обяснение
В нашата близост можем да измерим от всички звезди, които се образуват, колко от тях имат правилната маса, за да се превърнат в черна дупка. Откриваме, че само 0,1-0,2% от всички близки звезди имат достатъчно маса, за да отидат свръхнова, като по-голямата част от тях образуват неутронни звезди. Около половината от системите, които образуват бинарни (двоични) системи, обаче включват звезди със сравними маси. С други думи, повечето от 400 милиарда звезди, които са се образували в нашата галактика, никога няма да станат черни дупки.
Съвременна система за спектрална класификация за системи Morgan-Keenan с температурния диапазон на всеки звезден клас в Келвин. По-голямата част (75%) от звездите днес са звезди от М-класа, от които само 1 на 800 са достатъчно масивни, за да се превърнат в супернова
Но това е добре, защото някои от тях ще го направят. По-важното е, че мнозина вече са станали, макар и в далечното минало. Когато звездите се образуват, получавате масово разпределение: получавате няколко масивни звезди, малко по-големи от средните, и много такива с ниска маса. Толкова много, че звездите от М-клас с ниска маса (червени джуджета) с маса само 8-40% от слънчевата маса съставляват три четвърти от звездите в нашата околност. Новите клъстери от звезди няма да имат много масивни звезди, които биха могли да отидат свръхнова. Но в миналото звездообразуващите региони бяха много по-големи и по-богати на маса от Млечния път днес.
Най-големият звезден разсадник в местната група, 30 Doradus в мъглявината Тарантула, съдържа най-масивните звезди, познати на човека. Стотици от тях (през следващите няколко милиона години) ще се превърнат в черни дупки
Над него виждате 30 Дорадус, най-големият звездообразуващ регион в местната група, с маса 400 000 слънца. В този регион има хиляди горещи, много сини звезди, от които стотици ще отидат свръхнова. 10-30% от тях ще се превърнат в черни дупки, а останалите ще станат неутронни звезди. Ако приемем, че:
- в миналото в нашата галактика имаше много такива региони;
- най-големите звездообразуващи райони са съсредоточени по спиралните ръкави и към галактическия център;
- там, 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 с висока разделителна способност. Черните дупки в галактика на карта вероятно ще последват изхвърляния с малко разпръскване и ще бъдат разрешени от милиони отделни източници.
Това е картата на Ферми за източници на гама лъчи в небето. Той е подобен на звездната карта на нашата галактика, с изключение на това, че подчертава силно галактическия диск. По-старите източници се изчерпват с гама лъчи, така че те са сравнително нови точкови източници.
В сравнение с тази карта, картата на черната дупка ще бъде:
- по-концентриран в галактическия център;
- малко по-размита по ширина;
- включва галактическа издутина;
- се състоят от 100 милиона обекта, плюс или минус грешката.
Ако създадете хибрид от картата на Ферми (горе) и картата на галактиката COBE (отдолу), можете да получите количествена картина на местоположението на черните дупки в галактиката.
Галактика, видима в инфрачервена светлина от COBE. Въпреки че тази карта показва звезди, черните дупки ще следват подобно разпределение, макар и по-компресирани в галактическата равнина и по-централизирани към изпъкналостта.
Черните дупки са истински, често срещани и по-голямата част от тях е изключително трудно да бъдат открити 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, милиони все още се крият.
Черна дупка милиарди пъти по-масивна от Слънцето захранва рентгеновата струя в центъра на M87, но в тази галактика трябва да има милиарди други черни дупки. Тяхната плътност ще бъде концентрирана в галактическия център
Елиптичните галактики завихрят черни дупки в елиптичен рой, който се рои около галактическия център, подобно на звездите, които виждаме. Много черни дупки в крайна сметка мигрират към гравитацията добре в центъра на галактиката - ето защо свръхмасивните черни дупки стават свръхмасивни. Но все още не виждаме цялата картина. И няма да видим, докато не се научим как да визуализираме качествено черните дупки.
При липса на директна визуализация науката ни дава само това и ни казва нещо забележително: на всеки хиляда звезди, които виждаме днес, има приблизително една черна дупка. Не е лоша статистика за напълно невидими обекти, трябва да се съгласите.
ИЛЯ ХЕЛ