Voor de derde keer in de geschiedenis hebben we direct de onmiskenbare signatuur van zwarte gaten ontdekt: zwaartekrachtgolven door hun samensmelting. In combinatie met wat we al weten over sterrenbanen nabij het galactische centrum, röntgen- en radiowaarnemingen van andere sterrenstelsels, metingen van de snelheid van gasbeweging, is het onmogelijk om het bestaan van zwarte gaten te ontkennen. Maar zullen we genoeg informatie hebben, uit deze en andere bronnen, om ons te vertellen hoeveel zwarte gaten er in het universum zijn en hoe ze zijn verspreid?
Hoeveel zwarte gaten zijn er in het heelal in vergelijking met zichtbare sterren?
Het eerste dat u zou willen doen, is doorgaan naar directe observatie. En dit is een goed begin.
7 miljoen seconden belichtingskaart door Chandra Deep Field-South. Er zijn honderden superzware zwarte gaten in deze regio
Onze beste röntgentelescoop tot nu toe is de Chandra X-ray Observatory. Vanuit zijn positie in de baan van de aarde kan het zelfs enkele fotonen van verre röntgenbronnen identificeren. Door diepe beelden te maken van belangrijke delen van de lucht, kan het letterlijk honderden röntgenbronnen identificeren, die elk overeenkomen met een ver sterrenstelsel buiten het onze. Op basis van het energiespectrum van de ontvangen fotonen, kunnen we superzware zwarte gaten zien in het centrum van elk sterrenstelsel.
Maar hoe ongelooflijk deze ontdekking ook is, er zijn veel meer zwarte gaten in de wereld dan één per melkwegstelsel. Natuurlijk zijn er in elk sterrenstelsel gemiddeld minstens miljoenen of miljarden zonsmassa's, maar we zien niet alles.
De massa bekende binaire zwart-gatensystemen, waaronder drie geverifieerde fusies en één fusiekandidaat van LIGO
Promotie video:
LIGO kondigde onlangs de derde directe detectie aan van een krachtig zwaartekrachtsignaal afkomstig van een fusie van binaire zwarte gaten, waarmee de prevalentie van dergelijke systemen in het universum werd bevestigd. We hebben nog niet genoeg statistieken om een numerieke schatting te krijgen, omdat de foutdrempel te hoog is. Maar als we de huidige drempel van LIGO als basis nemen en het feit dat het (gemiddeld) elke twee maanden een signaal vindt, kunnen we gerust stellen dat in elk sterrenstelsel ter grootte van de Melkweg dat we kunnen onderzoeken, er minstens een dozijn van dergelijke zijn. systemen.
Geavanceerd LIGO-bereik en het vermogen om samenvoegende zwarte gaten te detecteren
Bovendien laten onze röntgengegevens zien dat er veel binaire zwarte gaten zijn met een lagere massa; misschien wel aanzienlijk meer dan de enorme die LIGO kan vinden. En dit houdt niet eens rekening met de gegevens die wijzen op het bestaan van zwarte gaten, die niet zijn opgenomen in rigide binaire systemen, en er moet een meerderheid van zijn. Als ons melkwegstelsel tientallen zwarte gaten met gemiddelde en hoge massa (10-100 zonsmassa's) heeft, zouden er honderden (3-15 zonsmassa's) binaire zwarte gaten en duizenden geïsoleerde (niet-binaire) zwarte gaten met stellaire massa moeten zijn.
De nadruk ligt hier op "tenminste".
Omdat zwarte gaten zo verdomd moeilijk te vinden zijn. Tot nu toe kunnen we alleen de meest actieve, de meest massieve en de meest prominente zien. Zwarte gaten die spiraalsgewijs en samensmelten zijn geweldig, maar dergelijke configuraties zouden kosmologisch zeldzaam moeten zijn. Degenen die Chandra heeft gezien, zijn de meest massieve, actieve en alle, maar de meeste zwarte gaten zijn geen monsters in de miljoenen, miljarden zonsmassa's, en de meeste grote zwarte gaten zijn momenteel inactief. We observeren slechts een klein deel van de zwarte gaten, en dit is de moeite waard om te begrijpen, ondanks alle pracht van het waargenomene.
Wat we waarnemen als een uitbarsting van gammastraling kan ontstaan door het samensmelten van neutronensterren, die materie in het heelal werpen en de zwaarste bekende elementen creëren, maar uiteindelijk ook een zwart gat creëren.
En toch hebben we een manier om een kwalitatieve schatting te krijgen van het aantal en de verdeling van zwarte gaten: we weten hoe ze ontstaan. We weten hoe we ze kunnen maken van jonge en zware sterren die supernova worden, van neutronensterren die samensmelten en die direct ineenstorten. En hoewel de optische kenmerken van het ontstaan van een zwart gat buitengewoon dubbelzinnig zijn, hebben we genoeg sterren, hun dood, catastrofale gebeurtenissen en stervorming door de geschiedenis van het heelal gezien om precies de nummers te kunnen vinden waarnaar we op zoek zijn.
De overblijfselen van een supernova geboren uit een massieve ster laten een instortend object achter: een zwart gat of een neutronenster, waaruit later onder bepaalde omstandigheden een zwart gat kan ontstaan
Deze drie manieren om zwarte gaten te creëren hebben allemaal hun wortels, als je ze helemaal volgt, tot enorme gebieden van stervorming. Verkrijgen:
- Supernova, je hebt een ster nodig die 8-10 keer zo zwaar is als de zon. Sterren groter dan 20-40 zonsmassa's geven je een zwart gat; kleinere sterren - een neutronenster.
- Een neutronenster die opgaat in een zwart gat heeft ofwel twee neutronensterren nodig die in spiralen dansen of botsen, ofwel een neutronenster die massa uit een begeleidende ster zuigt tot een bepaalde limiet (ongeveer 2,5-3 zonsmassa's) om een zwart gat te worden.
- Directe ineenstorting van een zwart gat, je hebt genoeg materiaal op één plek nodig om een ster te vormen die 25 keer zo zwaar is als de zon, en bepaalde omstandigheden om nauwkeurig een zwart gat te krijgen (geen supernova).
Op Hubble-foto's is een massieve ster te zien die 25 keer zo zwaar is als de zon, die eenvoudig verdween zonder supernova of andere verklaring. Directe instorting is de enige mogelijke verklaring
In onze omgeving kunnen we van alle sterren die zich vormen, meten hoeveel van hen de juiste massa hebben om mogelijk een zwart gat te worden. We vinden dat slechts 0,1-0,2% van alle nabije sterren voldoende massa heeft om als supernova te gaan, waarbij de overgrote meerderheid neutronensterren vormt. Ongeveer de helft van de systemen die binaire (binaire) systemen vormen, omvat echter sterren met een vergelijkbare massa. Met andere woorden, de meeste van de 400 miljard sterren die zich in onze melkweg hebben gevormd, zullen nooit zwarte gaten worden.
Een modern spectraal classificatiesysteem voor Morgan-Keenan-systemen met het temperatuurbereik van elke sterrenklasse in Kelvin. De overgrote meerderheid (75%) van de sterren van vandaag zijn sterren van de klasse M, waarvan slechts 1 op de 800 massief genoeg is om supernova te worden
Maar dat is oké, want sommigen van hen zullen dat wel doen. Wat nog belangrijker is, velen zijn dat al geworden, zij het in het verre verleden. Wanneer sterren worden gevormd, krijg je een massaverdeling: je krijgt een paar zware sterren, iets groter dan de gemiddelde, en veel lage-massa-sterren. Zoveel dat lichte M-klasse sterren (rode dwergen) met een massa van slechts 8-40% van de zonnemassa driekwart van de sterren in onze omgeving uitmaken. Nieuwe clusters van sterren zullen niet veel zware sterren hebben die tot supernova kunnen worden. Maar in het verleden waren de stervormingsgebieden veel groter en rijker in massa dan de Melkweg nu is.
De grootste stellaire kraamkamer in de lokale groep, 30 Doradus in de Tarantula-nevel, bevat de zwaarste sterren die de mens kent. Honderden daarvan (in de komende paar miljoen jaar) zullen zwarte gaten worden
Hierboven zie je 30 Doradus, het grootste stervormingsgebied in de lokale groep, met een massa van 400.000 zonnen. Er zijn duizenden hete, zeer blauwe sterren in deze regio, waarvan er honderden supernova zullen worden. 10-30% van hen verandert in zwarte gaten, en de rest wordt neutronensterren. In de veronderstelling dat:
- er waren in het verleden veel van dergelijke regio's in onze melkweg;
- de grootste stervormingsgebieden zijn geconcentreerd langs de spiraalarmen en richting het galactische centrum;
- waar we vandaag pulsars (de overblijfselen van neutronensterren) en bronnen van gammastraling zien, zullen er zwarte gaten zijn, - we kunnen een kaart maken en daarop laten zien waar de zwarte gaten zullen zijn.
NASA's Fermi-satelliet heeft de hoge energieën van het universum in hoge resolutie in kaart gebracht. Zwarte gaten in een melkwegstelsel op een kaart volgen waarschijnlijk uitwerpingen met een kleine verstrooiing en worden opgelost door miljoenen afzonderlijke bronnen.
Dit is Fermi's kaart van bronnen van gammastraling in de lucht. Het lijkt op de sterrenkaart van onze melkweg, behalve dat het de galactische schijf sterk benadrukt. Oudere bronnen zijn uitgeput in gammastraling, dus het zijn relatief nieuwe puntbronnen.
In vergelijking met deze kaart is de kaart met het zwarte gat:
- meer geconcentreerd in het galactische centrum;
- iets meer wazig in de breedte;
- omvatten galactische uitstulping;
- bestaan uit 100 miljoen objecten, plus of minus de fout.
Als je een hybride maakt van de Fermi-kaart (hierboven) en de COBE-melkwegkaart (hieronder), kun je een kwantitatief beeld krijgen van de locatie van zwarte gaten in de melkweg.
Melkweg zichtbaar in infrarood van COBE. Hoewel deze kaart sterren laat zien, zullen zwarte gaten een vergelijkbare verdeling volgen, zij het meer gecomprimeerd in het galactische vlak en meer gecentraliseerd naar de uitstulping toe.
Zwarte gaten zijn echt, komen vaak voor en de overgrote meerderheid is tegenwoordig buitengewoon moeilijk te detecteren. Het universum bestaat al heel lang, en hoewel we een enorm aantal sterren zien, zijn de meeste van de zwaarste sterren - 95% of meer - allang gestorven. Wat zijn ze geworden? Ongeveer een kwart daarvan zijn zwarte gaten geworden, miljoenen zijn nog steeds ondergedoken.
Een zwart gat dat miljarden keer zo zwaar is als de zon, voedt een röntgenstraal in het centrum van M 87, maar er moeten miljarden andere zwarte gaten in dit sterrenstelsel zijn. Hun dichtheid zal geconcentreerd zijn in het galactische centrum
Elliptische sterrenstelsels wervelen zwarte gaten in een elliptische zwerm die rond het galactische centrum zwermt, net als de sterren die we zien. Veel zwarte gaten migreren uiteindelijk naar de zwaartekrachtbron in het centrum van de melkweg - daarom worden superzware zwarte gaten superzwaar. Maar we zien nog niet het hele plaatje. En we zullen het pas zien als we leren hoe we zwarte gaten kwalitatief kunnen visualiseren.
Bij gebrek aan directe visualisatie geeft de wetenschap ons alleen dit en vertelt ze ons iets opmerkelijks: voor elke duizend sterren die we vandaag zien, is er ongeveer één zwart gat. Geen slechte statistieken voor volledig onzichtbare objecten, u moet het ermee eens zijn.
ILYA KHEL
