Po tretíkrát v histórii sme priamo objavili nepopierateľný podpis čiernych dier: gravitačné vlny po ich zlúčení. V kombinácii s tým, čo už vieme o hviezdnych dráhach blízko galaktického centra, röntgenových a rádiových pozorovaní iných galaxií, meraní rýchlosti pohybu plynu, nemožno poprieť existenciu čiernych dier. Budeme však mať dostatok informácií z týchto a ďalších zdrojov, aby sme mohli povedať, koľko čiernych dier je vo vesmíre a ako sú distribuované?
Koľko čiernych dier je vo vesmíre v porovnaní s viditeľnými hviezdami?
Prvá vec, ktorú by ste chceli urobiť, je prejsť k priamemu pozorovaniu. A toto je skvelý začiatok.
Expozičná mapa 7 miliónov sekúnd od Chandra Deep Field-South. V tomto regióne sú stovky supermasívnych čiernych dier
Náš doteraz najlepší röntgenový ďalekohľad je röntgenové observatórium Chandra. Zo svojej polohy na obežnej dráhe Zeme dokáže identifikovať aj jednotlivé fotóny zo vzdialených röntgenových zdrojov. Vytváraním hlbokých snímok významných častí oblohy dokáže identifikovať doslova stovky röntgenových zdrojov, z ktorých každý zodpovedá vzdialenej galaxii mimo našu vlastnú. Na základe energetického spektra prijatých fotónov môžeme vidieť supermasívne čierne diery v strede každej galaxie.
Ale aj keď je tento objav neuveriteľný, na svete je oveľa viac čiernych dier ako jedna v jednej galaxii. Samozrejme, v každej galaxii je v priemere minimálne milióny alebo miliardy solárnych hmôt, ale nevidíme všetko.
Masy známych binárnych systémov čiernych dier, vrátane troch overených fúzií a jedného kandidáta na fúziu od spoločnosti LIGO
Propagačné video:
Spoločnosť LIGO nedávno oznámila svoju tretiu priamu detekciu silného gravitačného signálu zo zlúčenia binárnych čiernych dier, čo potvrdzuje prevalenciu takýchto systémov v celom vesmíre. Zatiaľ nemáme dostatok štatistík na získanie číselného odhadu, pretože prah chyby je príliš vysoký. Ale ak si zoberieme ako základ súčasný prah LIGO a skutočnosť, že nájde signál každé dva mesiace (v priemere), môžeme smelo povedať, že v každej galaxii o veľkosti Mliečnej dráhy, ktorú môžeme sondovať, existuje najmenej tucet takýchto systémov.
Pokročilý rad LIGO a jeho schopnosť detekovať splývajúce čierne diery
Naše röntgenové údaje navyše ukazujú, že existuje veľa binárnych čiernych dier s nižšou hmotnosťou; možno podstatne viac ako tie obrovské, ktoré LIGO dokáže nájsť. A to sa neberie do úvahy ani údaj naznačujúci existenciu čiernych dier, ktoré nie sú obsiahnuté v rigidných binárnych systémoch, a musí ich byť väčšina. Ak má naša galaxia desiatky čiernych dier so strednou a vysokou hmotnosťou (10 - 100 slnečných hmôt), mali by tam byť stovky (3 - 15 slnečných hmôt) binárnych čiernych dier a tisíce izolovaných (nebinárnych) čiernych dier hviezdnej hmoty.
Dôraz sa tu kladie na „minimálne“.
Pretože čierne diery sa hľadajú tak sakra. Zatiaľ môžeme vidieť iba tie najaktívnejšie, najmasívnejšie a najvýraznejšie. Čierne diery, ktoré sa špirálovito spájajú, sú skvelé, ale takéto konfigurácie by mali byť kozmologicky zriedkavé. Tie, ktoré Chandra videla, sú najhmotnejšie, najaktívnejšie a všetky, ale väčšina čiernych dier nie sú monštrá v miliónoch, miliardách slnečných hmôt a väčšina veľkých čiernych dier je v súčasnosti neaktívnych. Pozorujeme iba malý zlomok čiernych dier, a to stojí za pochopenie aj napriek všetkej veľkoleposti pozorovaných.
To, čo vnímame ako výbuch gama žiarenia, môže nastať zlúčením neutrónových hviezd, ktoré vylučujú hmotu do vesmíru a vytvárajú najťažšie známe prvky, ale nakoniec vytvárajú aj čiernu dieru.
A napriek tomu máme spôsob, ako získať kvalitatívny odhad počtu a rozdelenia čiernych dier: vieme, ako sa tvoria. Vieme, ako ich vyrobiť z mladých a masívnych hviezd, ktoré idú supernova, z neutrónových hviezd, ktoré sa spájajú, a z priameho zrútenia. A hoci sú optické podpisy vzniku čiernej diery mimoriadne nejednoznačné, v priebehu dejín vesmíru sme videli dosť hviezd, ich úmrtí, katastrofických udalostí a formovania hviezd, aby sme dokázali nájsť presne tie čísla, ktoré hľadáme.
Zvyšky supernovy narodené z masívnej hviezdy zanechávajú za sebou kolabujúci objekt: buď čiernu dieru alebo neutrónovú hviezdu, z ktorých sa za určitých podmienok môže následne vytvoriť čierna diera
Všetky tieto tri spôsoby vytvárania čiernych dier majú svoje korene, pokiaľ ich budete sledovať až do masívnych oblastí tvorby hviezd. Získať:
- Supernova, potrebujete hviezdu, ktorá bude mať 8-10-násobok hmotnosti Slnka. Hviezdy nad 20 - 40 slnečných hmôt vám poskytnú čiernu dieru; menšie hviezdy - neutrónová hviezda.
- Neutrónová hviezda splývajúca v čiernu dieru vyžaduje, aby sa dve čierne neutrónové hviezdy tancovali v špirálach alebo sa zrazili, alebo neutrónová hviezda vysávajúca hmotu z vedľajšej hviezdy do určitého limitu (asi 2,5 - 3 slnečné hmoty), aby sa z nej stala čierna diera.
- Priame zrútenie čiernej diery, na jednom mieste potrebujete dostatok materiálu na to, aby ste vytvorili hviezdu 25-krát hmotnejšiu ako Slnko, a určité podmienky na presné získanie čiernej diery (nie supernovy).
Fotografie z Hubbla ukazujú hmotnú hviezdu 25-krát hmotnejšiu ako Slnko, ktorá jednoducho zmizla bez supernovy alebo iného vysvetlenia. Jediným možným vysvetlením bude priamy kolaps
V našom okolí môžeme zmerať zo všetkých tvoriacich sa hviezd, koľko z nich má správnu hmotnosť, aby sa potenciálne mohla stať čiernou dierou. Zistili sme, že iba 0,1-0,2% všetkých blízkych hviezd má dostatok hmoty na to, aby dokázalo ísť na supernovu, pričom veľká väčšina z nich tvorí neutrónové hviezdy. Asi polovica systémov, ktoré tvoria binárne (binárne) systémy, však obsahuje hviezdy porovnateľnej hmotnosti. Inými slovami, väčšina zo 400 miliárd hviezd, ktoré sa vytvorili v našej galaxii, sa nikdy nestane čiernymi dierami.
Moderný spektrálny klasifikačný systém pre systémy Morgan-Keenan s teplotným rozsahom každej hviezdnej triedy v Kelvinoch. Drvivú väčšinu (75%) hviezd dnes tvoria hviezdy triedy M, z ktorých iba 1 z 800 je dosť hmotných na to, aby zvládli supernovu
Ale to je v poriadku, pretože niektoré z nich budú. Dôležitejšie je, že mnohé sa už stali, aj keď v dávnej minulosti. Keď sa vytvoria hviezdy, získate hromadné rozdelenie: získate niekoľko hmotných hviezd, ktoré sú o niečo väčšie ako priemerné a veľa hviezd s nízkou hmotnosťou. Toľko, že hviezdy nízkej hmotnosti triedy M (červení trpaslíci) s hmotnosťou iba 8 - 40% slnečnej hmoty tvoria tri štvrtiny hviezd v našom okolí. Nové zhluky hviezd nebudú mať veľa hmotných hviezd, ktoré by mohli ísť na supernovu. Ale v minulosti boli oblasti tvoriace hviezdy oveľa väčšie a hmotnejšie bohatšie ako dnes Mliečna dráha.
Najväčšia hviezdna škôlka v miestnej skupine, 30 Doradus v hmlovine Tarantula, obsahuje najmohutnejšie hviezdy známe človeku. Zo stoviek (v najbližších miliónoch rokov) sa stanú čierne diery
Nad sebou vidíte 30 Doradus, najväčšiu oblasť tvorby hviezd v miestnej skupine s hmotnosťou 400 000 slnka. V tejto oblasti sú tisíce horúcich, veľmi modrých hviezd, z ktorých stovky pôjdu za supernovu. 10 - 30% z nich sa zmení na čierne diery a zo zvyšku sa stanú neutrónové hviezdy. Za predpokladu, že:
- v minulosti bolo v našej galaxii veľa takýchto oblastí;
- najväčšie oblasti tvoriace hviezdy sú sústredené pozdĺž špirálových ramien a smerom ku galaktickému stredu;
- tam, kde dnes vidíme pulzary (pozostatky neutrónových hviezd) a zdroje gama lúčov, budú čierne diery, - môžeme vytvoriť mapu a ukázať na nej, kde budú čierne diery.
Satelit NASA Fermi mapoval vysoké energie vesmíru vo vysokom rozlíšení. Čierne diery v galaxii na mape pravdepodobne budú nasledovať katapultáže s malým rozptylom a budú vyriešené miliónmi samostatných zdrojov.
Toto je Fermiho mapa zdrojov gama žiarenia na oblohe. Je to podobné ako s hviezdnou mapou našej galaxie, až na to, že výrazne zvýrazňuje galaktický disk. Staršie zdroje sa vyčerpali o gama lúče, takže ide o relatívne nové bodové zdroje.
V porovnaní s touto mapou bude mapa čiernej diery:
- koncentrovanejšie v galaktickom strede;
- mierne viac rozmazané do šírky;
- zahŕňajú galaktické vydutie;
- skladať sa zo 100 miliónov objektov, plus alebo mínus chyba.
Ak vytvoríte hybrid mapy Fermi (hore) a mapy galaxií COBE (dole), môžete získať kvantitatívny obraz o umiestnení čiernych dier v galaxii.
Galaxia viditeľná v infračervenom smere z COBE. Aj keď táto mapa ukazuje hviezdy, čierne diery budú nasledovať podobné rozloženie, aj keď viac stlačené v galaktickej rovine a centralizovanejšie smerom k vydutiu
Čierne diery sú skutočné, bežné a drvivá väčšina z nich je dnes mimoriadne ťažko odhaliteľná. Vesmír existuje už veľmi dlho a hoci vidíme obrovské množstvo hviezd, väčšina z najhmotnejších hviezd - 95% a viac - už dávno zomrela. Čím sa stali? Asi zo štvrtiny z nich sa stali čierne diery, milióny sa stále skrývajú.
Čierna diera miliardy krát hmotnejšia ako Slnko napája röntgenový lúč v strede M87, ale v tejto galaxii musia byť ďalšie miliardy čiernych dier. Ich hustota bude koncentrovaná v galaktickom strede
Eliptické galaxie krútia čiernymi dierami do eliptického roja, ktorý sa rojí okolo galaktického stredu, podobne ako hviezdy, ktoré vidíme. Mnoho čiernych dier nakoniec migruje k gravitácii dobre v strede galaxie - čo je dôvod, prečo sa supermasívne čierne diery stávajú supermasívnymi. Zatiaľ však nevidíme celý obraz. A neuvidíme, kým sa nenaučíme kvalitatívne vizualizovať čierne diery.
Ak chýba priama vizualizácia, veda nám to iba dá a povie nám niečo pozoruhodné: na každých tisíc hviezd, ktoré dnes vidíme, existuje zhruba jedna čierna diera. Nie je to zlá štatistika pre úplne neviditeľné objekty, musíte súhlasiť.
ILYA KHEL