Pentru a treia oară în istorie, am descoperit direct semnătura incontestabilă a găurilor negre: undele gravitaționale din fuziunea lor. Combinat cu ceea ce știm deja despre orbite stelare în apropierea centrului galactic, cu raze X și observații radio ale altor galaxii, măsurători ale vitezei de mișcare a gazelor, este imposibil să se nege existența găurilor negre. Dar vom avea suficiente informații, din aceste surse și din alte surse, pentru a ne spune câte găuri negre există în univers și cum sunt distribuite?
Într-adevăr, câte găuri negre există în Univers în comparație cu stelele vizibile?
Primul lucru pe care ai vrea să-l faci este să treci la observarea directă. Și acesta este un început minunat.
Harta de expunere de 7 milioane de secunde de Chandra Deep Field-South. Există sute de găuri negre supermasive în această regiune
Cel mai bun telescop cu raze X de până acum este Observatorul de raze X Chandra. Din poziția sa pe orbita Pământului, poate identifica chiar fotoni unici din surse de raze X îndepărtate. Prin crearea de imagini profunde cu porțiuni semnificative ale cerului, poate identifica literalmente sute de surse de raze X, fiecare dintre ele corespunzând unei galaxii îndepărtate dincolo de a noastră. Pe baza spectrului energetic al fotonilor primiți, putem vedea găuri negre supermasive în centrul fiecărei galaxii.
Dar oricât de incredibilă este această descoperire, există mult mai multe găuri negre în lume decât una pe galaxie. Desigur, în fiecare galaxie, în medie, există cel puțin milioane sau miliarde de mase solare, dar nu vedem totul.
Masele sistemelor binare cunoscute de gauri negre, inclusiv trei fuziuni verificate și un candidat la fuziune de la LIGO
Video promotional:
LIGO a anunțat recent a treia detectare directă a unui semnal gravitațional puternic dintr-o fuziune de găuri negre binare, confirmând prevalența unor astfel de sisteme în întregul univers. Nu avem încă suficiente statistici pentru a obține o estimare numerică, deoarece pragul de eroare este prea mare. Dar dacă luăm ca bază pragul actual al LIGO și faptul că găsește un semnal la fiecare două luni (în medie), putem spune cu siguranță că în fiecare galaxie de dimensiunea Căii Lactee pe care o putem sonda, există cel puțin o duzină de astfel de sisteme.
Gama LIGO avansată și capacitatea sa de a detecta fuziunile găurilor negre
Mai mult, datele noastre cu raze X arată că există multe găuri negre binare cu masă mai mică; poate considerabil mai mult decât cele masive pe care le poate găsi LIGO. Și acest lucru nu ține cont nici măcar de datele care indică existența găurilor negre, care nu sunt incluse în sistemele binare rigide și trebuie să existe majoritatea acestora. Dacă galaxia noastră are zeci de găuri negre de masă medie și mare (10-100 mase solare), trebuie să existe sute (3-15 mase solare) de găuri negre binare și mii de găuri negre izolate (non-binare) de masă stelară.
Accentul se pune aici pe „cel puțin”.
Pentru că găurile negre sunt atât de al naibii de greu de găsit. Până în prezent, îi putem vedea doar pe cei mai activi, cei mai masivi și cei mai proeminenți. Gaurile negre care spiralează și se unesc sunt grozave, dar astfel de configurații ar trebui să fie rare din punct de vedere cosmologic. Cele pe care Chandra le-a văzut sunt cele mai masive, active și toate, dar majoritatea găurilor negre nu sunt monștri în milioane, miliarde de mase solare, iar majoritatea găurilor negre mari sunt în prezent inactive. Observăm doar o mică fracțiune de găuri negre și acest lucru merită înțeles, în ciuda tuturor măreției observate.
Ceea ce percepem ca o explozie de radiații gamma poate apărea din fuziunea stelelor de neutroni, care evacuează materia în univers și creează cele mai grele elemente cunoscute, dar creează și o gaură neagră în final.
Și totuși avem o modalitate de a obține o estimare calitativă a numărului și distribuției găurilor negre: știm cum se formează. Știm cum să le facem din stele tinere și masive care merg supernove, din stele de neutroni care fuzionează și în procesul colapsului direct. Și, deși semnăturile optice ale creării unei găuri negre sunt extrem de ambigue, am văzut destule stele, moartea lor, evenimente catastrofale și formarea de stele de-a lungul istoriei universului pentru a putea găsi exact cifrele pe care le căutăm.
Rămășițele unei supernove născute dintr-o stea masivă lasă în urmă un obiect care se prăbușește: fie o gaură neagră, fie o stea de neutroni, din care se poate forma ulterior o gaură neagră în anumite condiții
Aceste trei moduri de a crea găuri negre își au rădăcinile, dacă le urmăriți până la capăt, către regiuni masive de formare a stelelor. A obtine:
- Supernova, ai nevoie de o stea care va fi de 8-10 ori masa Soarelui. Stelele mai mari de 20-40 de mase solare vă vor oferi o gaură neagră; stele mai mici - o stea cu neutroni.
- O stea de neutroni care fuzionează într-o gaură neagră are nevoie fie de două stele de neutroni care dansează în spirale sau se ciocnesc, fie de o stea de neutroni care aspiră masa de la o stea însoțitoare până la o anumită limită (aproximativ 2,5-3 mase solare) pentru a deveni o gaură neagră.
- Prăbușirea directă a unei găuri negre, aveți nevoie de suficient material într-un singur loc pentru a forma o stea de 25 de ori mai masivă decât Soarele și anumite condiții pentru a obține cu precizie o gaură neagră (nu o supernovă).
Fotografiile Hubble arată o stea masivă de 25 de ori mai masivă decât Soarele, care pur și simplu a dispărut fără supernova sau alte explicații. Colapsul direct va fi singura explicație posibilă
În vecinătatea noastră, putem măsura, dintre toate stelele care se formează, câte dintre ele au masa corectă pentru a deveni potențial o gaură neagră. Am descoperit că doar 0,1-0,2% din toate stelele din apropiere au suficientă masă pentru a ajunge la supernovă, marea majoritate formând stele cu neutroni. Cu toate acestea, aproximativ jumătate din sistemele care formează sisteme binare (binare) includ stele cu mase comparabile. Cu alte cuvinte, cele mai multe dintre cele 400 de miliarde de stele care s-au format în galaxia noastră nu vor deveni niciodată găuri negre.
Un sistem modern de clasificare spectrală pentru sistemele Morgan-Keenan cu intervalul de temperatură al fiecărei clase de stele din Kelvin. Marea majoritate (75%) a stelelor de astăzi sunt stele din clasa M, dintre care doar 1 din 800 sunt suficient de masive pentru a ajunge la supernova
Dar este în regulă, pentru că unii dintre ei o vor face. Mai important, mulți au devenit deja, deși în trecutul îndepărtat. Când se formează stele, obțineți o distribuție de masă: obțineți câteva stele masive, puțin mai mari decât cele medii și multe stele cu masă mică. Atât de multe, încât stelele de clasă M cu masă redusă (pitici roșii) cu o masă de numai 8-40% din masa solară alcătuiesc trei sferturi din stelele din vecinătatea noastră. Noile grupuri de stele nu vor avea multe stele masive care pot ajunge la supernovă. Dar, în trecut, regiunile de formare a stelelor erau mult mai mari și mai bogate în masă decât în prezent Calea Lactee.
Cea mai mare pepinieră stelară din grupul local, 30 Doradus din nebuloasa Tarantula, conține cele mai masive stele cunoscute de om. Sute dintre ele (în următoarele câteva milioane de ani) vor deveni găuri negre
Deasupra vedeți 30 de Doradus, cea mai mare regiune de formare a stelelor din grupul local, cu o masă de 400.000 de sori. Există mii de stele fierbinți, foarte albastre, în această regiune, dintre care sute vor deveni supernova. 10-30% dintre ele se vor transforma în găuri negre, iar restul vor deveni stele de neutroni. Asumand:
- au existat multe astfel de regiuni în galaxia noastră în trecut;
- cele mai mari regiuni de formare a stelelor sunt concentrate de-a lungul brațelor spirale și spre centrul galactic;
- unde vedem pulsari (rămășițele stelelor de neutroni) și surse de raze gamma astăzi, vor exista găuri negre, - putem face o hartă și arăta pe ea unde vor fi găurile negre.
Satelitul Fermi al NASA a cartografiat energiile mari ale universului la rezoluție înaltă. Găurile negre dintr-o galaxie de pe hartă sunt susceptibile să urmeze ejecții cu o dispersie mică și să fie rezolvate de milioane de surse separate.
Aceasta este harta lui Fermi a surselor de raze gamma pe cer. Este similar cu harta stelară a galaxiei noastre, cu excepția faptului că evidențiază puternic discul galactic. Sursele mai vechi s-au epuizat în raze gamma, deci sunt surse punctuale relativ noi.
Comparativ cu această hartă, harta găurilor negre va fi:
- mai concentrat în centrul galactic;
- ușor mai neclară în lățime;
- include umflatura galactică;
- constă din 100 de milioane de obiecte, plus sau minus eroarea.
Dacă creați un hibrid al hărții Fermi (sus) și a hărții galaxiei COBE (mai jos), puteți obține o imagine cantitativă a locației găurilor negre din galaxie.
Galaxia vizibilă în infraroșu de la COBE. Deși această hartă arată stele, găurile negre vor urma o distribuție similară, deși mai comprimate în planul galactic și mai centralizate spre umflătură.
Găurile negre sunt reale, obișnuite, iar marea lor majoritate sunt extrem de dificil de detectat astăzi. Universul a existat de foarte mult timp și, deși vedem un număr imens de stele, majoritatea celor mai masive stele - 95% sau mai mult - au murit de mult. Ce au devenit? Aproximativ un sfert dintre ele au devenit găuri negre, milioane se ascund în continuare.
O gaură neagră de miliarde de ori mai masivă decât Soarele alimentează jetul de raze X din centrul M87, dar trebuie să existe miliarde de alte găuri negre în această galaxie. Densitatea lor va fi concentrată în centrul galactic
Galaxiile eliptice învârt găurile negre într-un roi eliptic care roade în jurul centrului galactic, la fel ca stelele pe care le vedem. Multe găuri negre migrează în cele din urmă către puțul gravitațional din centrul galaxiei - motiv pentru care găurile negre supermasive devin supermasive. Dar nu vedem încă întreaga imagine. Și nu vom vedea până nu vom învăța cum să vizualizăm calitativ găurile negre.
În absența vizualizării directe, știința ne oferă doar acest lucru și ne spune ceva remarcabil: pentru fiecare mie de stele pe care le vedem astăzi, există aproximativ o gaură neagră. Nu sunt statistici rele pentru obiectele complet invizibile, trebuie să fiți de acord.
ILYA KHEL
