Již potřetí v historii jsme přímo objevili nepopiratelný podpis černých děr: gravitační vlny z jejich sloučení. V kombinaci s tím, co už víme o hvězdných drahách blízko galaktického středu, rentgenových a rádiových pozorováních jiných galaxií, měření rychlosti pohybu plynu, nelze popřít existenci černých děr. Ale budeme mít dostatek informací z těchto a dalších zdrojů, abychom nám řekli, kolik černých děr ve vesmíru je a jak jsou distribuovány?
Kolik černých děr ve vesmíru je ve srovnání s viditelnými hvězdami?
První věc, kterou byste chtěli udělat, je přejít k přímému pozorování. A to je skvělý začátek.
Expoziční mapa 7 milionů sekund od Chandra Deep Field-South. V této oblasti jsou stovky supermasivních černých děr
Náš dosud nejlepší rentgenový dalekohled je rentgenová observatoř Chandra. Ze své polohy na oběžné dráze Země dokáže identifikovat i jednotlivé fotony ze vzdálených rentgenových zdrojů. Vytvářením hlubokých obrazů významných částí oblohy dokáže identifikovat doslova stovky rentgenových zdrojů, z nichž každý odpovídá vzdálené galaxii mimo naši vlastní. Na základě energetického spektra přijatých fotonů můžeme vidět supermasivní černé díry ve středu každé galaxie.
Ale jak neuvěřitelný je tento objev, na světě je mnohem více černých děr než jedna na každou galaxii. Samozřejmě v každé galaxii jsou v průměru minimálně miliony nebo miliardy hmotností Slunce, ale nevidíme všechno.
Masy známých binárních systémů černé díry, včetně tří ověřených fúzí a jednoho kandidáta na fúzi z LIGO
Propagační video:
Společnost LIGO nedávno oznámila svou třetí přímou detekci silného gravitačního signálu ze sloučení binárních černých děr, což potvrzuje prevalenci těchto systémů v celém vesmíru. Dosud nemáme dostatek statistik k získání číselného odhadu, protože prahová hodnota chyby je příliš vysoká. Bereme-li však jako základ současnou prahovou hodnotu LIGO a skutečnost, že najde signál každé dva měsíce (v průměru), lze s jistotou říci, že v každé galaxii o velikosti Mléčné dráhy, kterou můžeme zkoumat, existuje nejméně tucet takových systémy.
Pokročilá řada LIGO a její schopnost detekovat slučující se černé díry
Naše rentgenová data navíc ukazují, že existuje mnoho binárních černých děr s nižší hmotností; možná podstatně více než ty masivní, které LIGO najde. A to ani nebere v úvahu data naznačující existenci černých děr, které nejsou obsaženy v rigidních binárních systémech, a musí jich být většina. Pokud má naše galaxie desítky černých děr střední a vysoké hmotnosti (10–100 hmotností Slunce), musí existovat stovky (3–15 hmotností Slunce) binárních černých děr a tisíce izolovaných (nebinárních) černých děr hvězdné hmoty.
Důraz je zde kladen na „přinejmenším“.
Protože černé díry je tak zatraceně těžké najít. Zatím můžeme vidět pouze ty nejaktivnější, nejhmotnější a nejvýznamnější. Černé díry, které se spirálovitě a splynou, jsou skvělé, ale takové konfigurace by měly být kosmologicky vzácné. Ty, které Chandra viděla, jsou nejhmotnější, nejaktivnější a všechny, ale většina černých děr nejsou monstra v milionech, miliardy solárních hmot a většina velkých černých děr je v současné době neaktivní. Pozorujeme jen malý zlomek černých děr, a to stojí za pochopení i přes veškerou velkolepost pozorovaných.
To, co vnímáme jako záblesk gama záření, může nastat sloučením neutronových hvězd, které vyvrhují hmotu do vesmíru a vytvářejí nejtěžší známé prvky, ale nakonec také vytvářejí černou díru.
A přesto máme způsob, jak získat kvalitativní odhad počtu a distribuce černých děr: víme, jak se tvoří. Víme, jak je vyrobit z mladých a hmotných hvězd, které přecházejí na supernovu, z neutronových hvězd, které se spojují, a v přímém zhroucení. A ačkoli jsou optické podpisy vzniku černé díry extrémně nejednoznačné, v historii vesmíru jsme viděli dost hvězd, jejich úmrtí, katastrofických událostí a vzniku hvězd, abychom dokázali najít přesně ta čísla, která hledáme.
Zbytky supernovy zrozené z hmotné hvězdy zanechávají za sebou kolabující objekt: buď černou díru, nebo neutronovou hvězdu, ze které se za určitých podmínek může později vytvořit černá díra
Všechny tyto tři způsoby vytváření černých děr mají své kořeny, pokud je budete sledovat, až k masivním oblastem formování hvězd. Získat:
- Supernova, potřebujete hvězdu, která bude 8–10krát hmotnější než Slunce. Hvězdy větší než 20–40 hmotností Slunce vám poskytnou černou díru; menší hvězdy - neutronová hvězda.
- Neutronová hvězda splývající v černou díru potřebuje buď dvě neutronové hvězdy tančící ve spirálách nebo se srážet, nebo neutronová hvězda vysávající hmotu z doprovodné hvězdy na určitý limit (asi 2,5 až 3 sluneční hmoty), aby se stala černou dírou.
- Přímé zhroucení černé díry, na jednom místě potřebujete dostatek materiálu, abyste vytvořili hvězdu 25krát hmotnější než Slunce, a určité podmínky, abyste přesně získali černou díru (ne supernovu).
Fotografie z Hubbla ukazují hmotnou hvězdu 25krát hmotnější než Slunce, která jednoduše zmizela bez supernovy nebo jiného vysvětlení. Jediným možným vysvětlením bude přímý kolaps
V našem okolí můžeme měřit ze všech hvězd, které se tvoří, kolik z nich má správnou hmotnost, aby se potenciálně stala černou dírou. Zjistili jsme, že pouze 0,1-0,2% všech blízkých hvězd má dostatek hmoty na to, aby dokázalo přejít na supernovu, přičemž drtivá většina tvoří neutronové hvězdy. Asi polovina systémů, které tvoří binární (binární) systémy, však zahrnuje hvězdy srovnatelné hmotnosti. Jinými slovy, většina ze 400 miliard hvězd, které se vytvořily v naší galaxii, se nikdy nestane černými dírami.
Moderní spektrální klasifikační systém pro systémy Morgan-Keenan s teplotním rozsahem každé hvězdné třídy v Kelvinech. Drtivá většina (75%) hvězd je dnes hvězdami třídy M, z nichž pouze 1 z 800 je dostatečně hmotných na to, aby šlo o supernovu
Ale to je v pořádku, protože některé z nich ano. Ještě důležitější je, že mnoho z nich se již stalo, i když v dávné minulosti. Když se vytvoří hvězdy, získáte masové rozdělení: získáte několik hmotných hvězd, o něco větších než průměrných a spoustu těch s nízkou hmotností. Tolik hvězd nízké třídy M (červení trpaslíci) s hmotností pouhých 8–40% sluneční hmoty tvoří tři čtvrtiny hvězd v našem okolí. Nové hvězdokupy nebudou mít mnoho hmotných hvězd, které by mohly přejít na supernovu. Ale v minulosti byly hvězdotvorné oblasti mnohem větší a hmotnější než Mléčná dráha dnes.
Největší hvězdná školka v místní skupině, 30 Doradus v mlhovině Tarantula, obsahuje nejhmotnější hvězdy známé člověku. Ze stovek (v příštích několika milionech let) se stanou černé díry
Nahoře vidíte 30 Doradus, největší oblast tvořící hvězdy v místní skupině s hmotou 400 000 sluncí. V této oblasti jsou tisíce horkých, velmi modrých hvězd, z nichž stovky se stanou supernovami. 10-30% z nich se promění v černé díry a ze zbytku se stanou neutronové hvězdy. Za předpokladu, že:
- v naší galaxii bylo v minulosti mnoho takových oblastí;
- největší oblasti tvořící hvězdy jsou soustředěny podél spirálních ramen a směrem ke galaktickému středu;
- tam, kde dnes vidíme pulsary (zbytky neutronových hvězd) a zdroje gama záření, budou černé díry, - můžeme vytvořit mapu a ukázat na ní, kde budou černé díry.
Družice NASA Fermi mapovala vysoké energie vesmíru ve vysokém rozlišení. Černé díry v galaxii na mapě pravděpodobně budou s malým rozptylem následovat vystřelení a budou vyřešeny miliony samostatných zdrojů.
Toto je Fermiho mapa zdrojů gama záření na obloze. Je to podobné jako s hvězdnou mapou naší galaxie, až na to, že silně zdůrazňuje galaktický disk. Starší zdroje jsou vyčerpány gama paprsky, takže se jedná o relativně nové bodové zdroje.
Ve srovnání s touto mapou bude mapa černé díry:
- koncentrovanější v galaktickém středu;
- mírně více rozmazané na šířku;
- zahrnout galaktickou bouli;
- skládají se ze 100 milionů objektů, plus nebo mínus chyba.
Pokud vytvoříte hybrid mapy Fermi (nahoře) a mapy galaxií COBE (níže), můžete získat kvantitativní obrázek o umístění černých děr v galaxii.
Galaxie viditelná infračerveně z COBE. Ačkoli tato mapa ukazuje hvězdy, černé díry budou následovat podobné rozdělení, i když více stlačené v galaktické rovině a více centralizované směrem k bouli.
Černé díry jsou skutečné, běžné a drtivá většina z nich je dnes extrémně obtížně detekovatelná. Vesmír existuje velmi dlouho a přestože vidíme obrovské množství hvězd, většina z nejhmotnějších hvězd - 95% nebo více - už dávno zemřela. Čím se stali? Asi ze čtvrtiny z nich se staly černé díry, miliony se stále skrývají.
Černá díra miliardkrát hmotnější než Slunce napájí rentgenový paprsek ve středu M87, ale v této galaxii musí být miliardy dalších černých děr. Jejich hustota bude soustředěna v galaktickém středu
Eliptické galaxie víří černé díry do eliptického roje, který se rojí kolem galaktického středu, podobně jako hvězdy, které vidíme. Mnoho černých děr nakonec migruje do gravitační studny ve středu galaxie - proto se supermasivní černé díry stávají supermasivními. Ale ještě nevidíme celý obrázek. A neuvidíme, dokud se nenaučíme, jak kvalitativně vizualizovat černé díry.
Při absenci přímé vizualizace nám věda dává pouze toto a říká nám něco pozoruhodného: na každých tisíc hvězd, které dnes vidíme, existuje zhruba jedna černá díra. Není to špatná statistika pro úplně neviditelné objekty, musíte souhlasit.
ILYA KHEL