Хоць мы бачылі чорныя дзіркі, якія непасрэдна зліваюцца ў тры разы ў Сусвеце, мы ведаем, што існуе яшчэ шмат. Вось дзе яны павінны быць. Малюнак: LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet).

Спытай Ітан: Колькі чорных дзір у Сусвеце?

Вы ведаеце, што такое чорная дзірка, і мы іх знайшлі да гэтага часу. Але о, ёсць яшчэ шмат яшчэ там!

"Чорныя дзіркі - гэта панадлівыя цмокі сусвету, знешне спакойнае, але жорсткае ў сэрцы, дзівоснае, варожае, першароднае, выпраменьвальнае негатыўнае ззянне, якое прыцягвае ўсіх да іх, хапаючы ўсіх, хто наблізіцца ... гэтыя дзіўныя галактычныя монстры, для каго стварэнне - гэта разбурэнне, жыццё смерці, парадак хаосу ". -Роберт Кувер

У трэці раз у гісторыі мы непасрэдна выявілі беспамылковую подпіс чорных дзірак: гравітацыйныя хвалі, якія ўзнікаюць у выніку іх зліцця. Спалучайце гэта з тым, што мы ведаем з зорных арбіт вакол галактычнага цэнтра, рэнтгенаўскіх і радыётэлефанаванняў іншых галактык, а таксама вымярэнняў хуткасці і хуткасці газу, а доказы чорных дзірак у розных сітуацыях бясспрэчныя. Але ці дастаткова інфармацыі з гэтых і іншых крыніц, каб навучыць нас, што такое колькасць і распаўсюджванне чорных дзір у Сусвеце? Гэта тэма пытаньня Этана на гэтым тыдні, як пытаецца Джон Мэтхот:

Апошняя падзея LIGO прымусіла мяне задумацца, як шмат чорных дзірак, і гэта прымусіла мяне задумацца, як выглядае неба, калі б мы маглі іх бачыць (і для нагляднасці бачым * толькі * чорныя дзіркі) ... у чым прасторавая і інтэнсіўная яркасць размеркаванне чорных дзірак у параўнанні з размеркаваннем бачных зорак?

Вашым першым інстынктам можа стаць непасрэднае назіранне, і гэта выдатны пачатак.

Карта 7-мільённай экспазіцыі Глыбокага поля Чандра-Поўдзень. Гэты рэгіён паказвае сотні звышмасіўных чорных дзірак, кожная з якіх знаходзіцца ў галактыцы далёка за межамі нашай уласнай. Малюнак: NASA / CXC / B. Luo et al., 2017, ApJS, 228, 2.

Наш лепшы рэнтгенаўскі тэлескоп з усіх часоў - рэнтгенаўская абсерваторыя Чандры. Зыходзячы з арбіты Зямлі, ён здольны ідэнтыфікаваць нават асобныя фатоны з далёкіх крыніц рэнтгенаўскага выпраменьвання. Здымаючы значную вобласць неба ў глыбінным полі, ён змог выявіць літаральна сотні крыніц рэнтгенаўскіх кропак, кожная з якіх адпавядае далёкай галактыцы за межамі нашай уласнай. Зыходзячы з энергетычнага спектру атрыманых фатонаў, мы бачым, што гэта сведчанне звышмасіўных чорных дзірак у цэнтры кожнай галактыкі.

Але як неверагодна гэта адкрыццё, там значна больш, чым проста адна велізарная чорная дзірка ў галактыцы. Вядома, кожная галактыка ў сярэднім мае хаця б адну, якая складае мільёны і нават мільярды сонечных мас, але ёсць значна больш.

Масы вядомых двайковых сістэм чорнай дзіркі, у тым ліку тры правераныя зліцця і адзін кандыдат зліцця, які паступае з LIGO. Малюнак: LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet).

Нядаўна кампанія LIGO абвясціла аб сваім трэцім непасрэдным выяўленні надзейнага сігналу гравітацыйнай хвалі зліцця бінарных чорных дзірак, навучыўшы нас, што гэтыя сістэмы распаўсюджаны ва ўсёй Сусвеце. У нас няма дастатковай статыстыкі, каб прывесці лічбавую ацэнку, бо палоскі памылак занадта вялікія. Але калі ўлічыць бягучы дыяпазон LIGO і той факт, што ён знаходзіць сігнал раз у два месяцы (у сярэднім), можна з упэўненасцю сказаць, што ў кожнай галактыцы памерам з Млечным Шляхам, якую мы можам даследаваць, ёсць па меншай меры дзесяткі такіх сістэм.

Асартымент Advanced LIGO і яго здольнасць выяўляць зліццё чорных дзірак. Крэдыт малюнкаў: Супрацоўніцтва LIGO / Amber Stuver / Рычард Паўэл / Атлас Сусвету.

Больш за тое, нашы рэнтгеналагічныя дадзеныя паказваюць, што і ў нас ёсць мноства джынараў чорнай дзіры ніжняй масы. магчыма, значна большая колькасць, чым гэтыя масавыя, да якіх LIGO больш адчувальныя. І гэта нават не падлічваючы дадзеныя, якія паказваюць на наяўнасць чорных дзірак, якіх няма ў шчыльных бінарных сістэмах, што, верагодна, будзе пераважнай большасцю. Калі ў нашай галактыцы ёсць дзесяткі сярэдніх да высокіх (10–100 сонечнай масы) чорных дзірак, то існуюць сотні нізкіх (3–15 сонечнай масы) чорных дзінарных дзінар, і па меншай меры тысячы ізаляваных (не двайковыя) ) чорная дзірка зорнай масы.

З акцэнтам на "па меншай меры" у гэтым выпадку.

Таму што чорныя дзіркі неверагодна цяжка выявіць. Па-сапраўднаму, мы можам бачыць толькі самыя актыўныя, самыя маштабныя і найбольш надзвычай размешчаныя. Чорныя дзіркі, якія натхняюць і зліваюцца, з'яўляюцца фантастычнымі, але, як чакаецца, гэтыя канфігурацыі будуць касмалагічна рэдкімі. Тыя, якіх бачыць Чандра, - гэта толькі самыя масавыя, актыўныя, але большасць чорных дзір не мільёны мільярдаў сонечных мас, і большасць з самых вялікіх у цяперашні час не актыўныя. Калі гаворка ідзе пра чорныя дзіркі, якія мы на самой справе бачым, мы цалкам чакаем, што яны толькі маленькая частка таго, што ёсць на самой справе, нягледзячы на ​​тое, наколькі эфектна тое, што мы бачым на самай справе.

Тое, што мы ўспрымаем як выбух гама-прамянёў, можа мець сваё пачатак у зліцці нейтронных зорак, якія выганяюць матэрыю ў Сусвет, ствараючы самыя цяжкія вядомыя элементы, але ў выніку ствараюць чорную дзірку. Малюнак: NASA / JPL.

Але ў нас ёсць спосаб дасягнуць ацэнкі якасці колькасці і размеркавання чорных дзірак: мы ведаем, як утвараюцца чорныя дзіркі. Мы ведаем, як зрабіць іх з маладых і масіўных зорак, якія ідуць звышновымі, з нейтронных зорак, якія акрэдытуюцца альбо зліваюцца, і ад прамога калапсу. І хоць аптычныя подпісы стварэння чорнай дзіркі неадназначныя, мы бачылі ў гісторыі Сусвету дастаткова зорак, зорнай смерці, катаклізматычных падзей і фарміравання зорак, каб можна было знайсці дакладна такія лічбы, якія мы шукаем.

Рэшту звышновай, якая ўзнікла ў масіўнай зоркі, пакідае ззаду абрушаны аб'ект: альбо чорную дзірку, альбо нейтронную зорку, апошняя з якіх можа ў будучыні ўтварыць чорную дзірку пры правільных абставінах. Крэдыт малюнка: рэнтгенаўская абсерваторыя НАСА / Чандра.

Усе гэтыя тры спосабы зрабіць чорныя дзіркі ўкараняюцца, калі прасачыць усё на шляху назад, да масіўных зоратворных рэгіёнаў. Для таго, каб атрымаць:

  1. Супернова, вам патрэбна зорка, якая як мінімум у 8–10 разоў перавышае масу Сонца. Зоркі больш за 20–40 сонечных мас дадуць вам чорную дзірку; зорак менш, чым дасць вам нейтронную зорку.
  2. Зліццё нейтроннай зоркі або прырашчэнне да чорнай дзірцы вам патрэбныя альбо дзве нейтронныя зоркі, якія натхняюць, альбо выпадкова сутыкаюцца, альбо нейтронная зорка, якая адсаджвае масу з спадарожнікавай зоркі, каб пераступіць парог (каля 2,5–3 масы Сонца), каб стаць чорнай дзіркай.
  3. Для прамога разбурэння чорнай дзіркі вам спатрэбіцца дастаткова матэрыялу ў адным месцы, каб утварыць зорку ~ 25 разоў больш масы Сонца і больш, і правільныя абставіны атрымаюць чорную дзірку непасрэдна (без звышновай) у выніку.
Бачныя / блізкія да інфрачырвонага фотаздымкі з Хабла паказваюць масіўную зорку, прыблізна ў 25 разоў масу Сонца, якая падміргнула да існавання, не маючы звышновай і іншага тлумачэння. Прамы крах - адзінае разумнае тлумачэнне кандыдата. Малюнак: NASA / ESA / C. Качанек (OSU).

У нашым раёне мы можам вымераць усіх зорак, якія ўтвараюць, колькі з іх мае правільную масу, каб патэнцыйна прывесці да адукацыі чорнай дзіркі. Мы выяўляем, што толькі каля 0,1–0,2% усіх зор, якія знаходзяцца побач, маюць дастатковую масу, каб нават мець наднаву, а абсалютная большасць утварае нейтронныя зоркі. Каля паловы сістэм, якія ўтвараюць, з'яўляюцца бінарнымі сістэмамі, і большасць знойдзеных у нас двайковых файлаў маюць зоркі, параўнальныя паміж сабой масы. Іншымі словамі, большасць з 400 мільярдаў зорак, якія ўтварыліся ў нашай галактыцы, ніколі не зробяць чорную дзірку.

(Сучасная) спектральная класіфікацыйная сістэма Морган-Кінана з тэмпературным дыяпазонам кожнага зорнага класа, паказаным над ім, у кельвінах. Пераважная большасць (75%) зорак сёння - зоркі класа М, толькі 1 у 800 дастаткова масіўны для звышновай. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons LucasVB, дапаўненні Е. Зігеля.

Але гэта нармальна, бо некалькі з іх будуць. Што яшчэ важней, тым больш верагодна, але і ў далёкім мінулым. Кожны раз, калі вы ўтвараеце зоркі, вы атрымліваеце размеркаванне іх масы: вы атрымліваеце некалькі зорак высокай масы, яшчэ шмат зорак прамежкавай масы і вельмі вялікая колькасць зорак нізкай масы. Гэта настолькі сур'ёзна, што зоркі з найменшай масай, зоркі класа М (чырвоны карлік), якія складаюць толькі 8–40% ад масы Сонца, складаюць 3 з кожных 4 зорак у нашым раёне. У многіх новых зорных кластарах вы атрымліваеце толькі жменьку зорак высокай масы: зорак, якія могуць сыходзіць звышновай. Але ў мінулым галактыка мела зоратворныя рэгіёны, якія былі значна большымі і насычанымі масай, чым тыя, якія мае Млечны Шлях сёння.

Самы вялікі зорны гадавальнік мясцовай групы, 30 Дорадус у туманнасці Тарантула, мае самыя масіўныя зоркі, дагэтуль вядомыя чалавецтву. Сотні іх калі-небудзь (у бліжэйшыя некалькі мільёнаў гадоў) стануць чорнымі дзіркамі. Крэдыт малюнкаў: NASA, ESA, F. Paresce (INAF-IASF, Балоння, Італія), R. O'Connell (Універсітэт Вірджыніі, Шарлотсвілль) і Камітэт па наглядзе шырокай палявой камеры 3.

Зверху вы можаце ўбачыць 30 Дорадусаў, найбуйнейшы зоратворчы рэгіён у мясцовай групе, масай каля 400 000 сонцаў. У гэтым рэгіёне ёсць тысячы гарачых, вельмі блакітных зорак, з якіх сотні, верагодна, сыдуць звышновай. Дзесьці паміж 10–30% з іх прыведуць чорныя дзіркі, астатнія стануць нейтроннымі зоркамі. Калі ўлічыць, што:

  • У нашай галактыцы ў мінулым было шмат такіх рэгіёнаў,
  • найбуйнейшыя зоратворныя рэгіёны былі сканцэнтраваны ўздоўж спіральных плячэй і ў кірунку да цэнтра галактыкі,
  • і там, дзе сёння мы бачым пульсары (рэшткі нейтроннай зоркі) і крыніцы гама-прамянёў, там, верагодна, і чорныя дзіркі,

мы можам прыдумаць карту і інтэрпрэтацыю таго, дзе знаходзяцца чорныя дзіркі.

Спадарожнік НАСА

Гэта карта Фермі на ўсім небе з крыніц кропкі гама-прамянёў на небе. Гэта шмат у чым падобна на зорную карту нашай галактыкі, за выключэннем таго, што яна моцна падкрэслівае галактычны дыск. Акрамя таго, старыя крыніцы згасаюць ад гама-прамянёў, так што гэта нядаўна сфармаваныя кропкавыя крыніцы.

У параўнанні з гэтай картай мапа чорных дзірак з'явіцца:

  • Больш канцэнтраваны ў напрамку галактычнага цэнтра,
  • Крыху больш рассеяны ў шырыню,
  • Які змяшчае галактычную выпукласць,
  • І складаецца з дзесьці каля 100 мільёнаў аб'ектаў, якія аддаюць альбо прымаюць парадак.

Калі б вы стварылі гібрыд карты Фермі (уверсе) і карту COBE (інфрачырвоная) галактыкі, ніжэй, вы атрымаеце якасную карціну таго, дзе былі размешчаны чорныя дзіркі нашай галактыкі.

Галактыка, як відаць з інфрачырвонага з COBE. Хоць на гэтай карце паказаны зоркі, чорныя дзіркі будуць прытрымлівацца аналагічнага размеркавання, хоць і больш сціснутага ў галактычнай плоскасці і больш цэнтралізаванага ў напрамку выпукласці. Малюнак: NASA / COBE / DIRBE / GSFC.

Чорныя дзіркі сапраўдныя, яны звычайныя, і пераважную большасць з іх сёння ціха і цяжка выявіць. Сусвет існуе ўжо даўно, і хоць мы бачым сёння вельмі вялікая колькасць зорак, большасць з самых масавых, якія калі-небудзь існавалі - значна больш за 95% з іх - памерлі даўно. Куды яны пайшлі? Каля чвэрці з іх сталі чорнымі дзіркамі, а мільёны - мільёны даўно зорак, якія ўсё яшчэ хаваюцца ў нашай галактыцы, пры гэтым большасць галактык мае прыблізна тое ж самае суадносіны.

Чорная дзірка больш чым у мільярд разоў перавышае масу Сонца ў выніку рэнтгенаўскага струменя ў цэнтры М87, але, магчыма, у галактыцы існуе мільярд іншых чорных дзірак. Шчыльнасць пераважна будзе класціравацца ў бок галактычнага цэнтра. Крэдыт малюнка: NASA / Хабл / Вікі.

Эліптычныя галактыкі будуць мець свае чорныя дзіркі ў эліптычным роі, наваленых вакол галактычнага цэнтра, падобна на тое, дзе бачаць зоркі. Шмат чорных дзірак з часам будзе міграваць у гравітацыйную студню ў цэнтры галактыкі з-за працэсу, вядомага як масавая сегрэгацыя, што, верагодна, наколькі звышмасіўныя чорныя дзіркі становяцца настолькі звышмасіўнымі. Але ў нас няма прамых доказаў гэтай поўнай карціны ў цяперашні час; пакуль у нас няма магчымасці выявіць ціхія чорныя дзіркі непасрэдна, мы ніколі не даведаемся напэўна. Зыходзячы з таго, што мы ведаем, аднак, гэта найлепшая карціна, якую мы можам пабудаваць. Гэта паслядоўна, гэта пераканаўча, і ўсе ўскосныя дадзеныя паказваюць на гэта.

Паглынанне святла міліметровай даўжыні хвалі, выпраменьваемага электронамі, свісцячы вакол магутных магнітных палёў, згенераваных звышмасіўнай чорнай дзіркай галактыкі, прыводзяць да цёмнай плямы ў цэнтры гэтай галактыкі. Цень паказвае на тое, што на чорнай дзірцы дажджы халодныя хмары малекулярнага газу. Крэдыт малюнка: NASA / ESA & Hubble (сіні), ALMA (чырвоны).

У выпадку адсутнасці прамой візуалізацыі, гэта лепшая навука, на якую можна спадзявацца, і гэта кажа нам нешта выдатнае: на кожную тысячу зорак, якую мы бачым сёння, прыблізна адна чорная дзірка, у сярэднім і там, пераважна, згушчаная ў больш шчыльнай. рэгіёны космасу. Гэта даволі добры адказ на тое, што амаль цалкам нябачна!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву"