Že tretjič v zgodovini smo neposredno odkrili neizpodbiten podpis črnih lukenj: gravitacijski valovi iz njihove združitve. V kombinaciji s tistim, kar že poznamo o zvezdnih orbitah v bližini galaktičnega središča, rentgenskih in radijskih opazovanjih drugih galaksij, meritvah hitrosti gibanja plinov, ni mogoče zanikati obstoja črnih lukenj. Toda ali bomo imeli dovolj informacij iz teh in drugih virov, da nam povedo, koliko črnih lukenj je v vesolju in kako so razporejene?
Koliko je v vesolju črnih lukenj v primerjavi z vidnimi zvezdami?
Prvo, kar bi radi, je, da nadaljujete z neposrednim opazovanjem. In to je odličen začetek.
Zemljevid izpostavljenosti 7 milijonov sekund avtor Chandra Deep Field-South. V tej regiji je na stotine supermasivnih črnih lukenj
Naš najboljši rentgenski teleskop doslej je rentgenski observatorij Chandra. Po svojem položaju v zemeljski orbiti lahko prepozna celo posamezne fotone iz oddaljenih rentgenskih virov. Z ustvarjanjem globokih slik pomembnih delov neba lahko identificira dobesedno na stotine rentgenskih virov, od katerih vsak ustreza oddaljeni galaksiji, ki presega našo. Na podlagi energijskega spektra prejetih fotonov lahko vidimo supermasivne črne luknje v središču vsake galaksije.
Toda ne glede na to, kako neverjetno je to odkritje, je na svetu veliko več črnih lukenj kot ena na galaksijo. Seveda je v vsaki galaksiji v povprečju vsaj milijonov ali milijard sončnih mas, vendar ne vidimo vsega.
Množice znanih binarnih sistemov črne luknje, vključno s tremi preverjenimi združitvami in enim kandidatom za združitev iz LIGO
Promocijski video:
LIGO je pred kratkim napovedal svoje tretje neposredno zaznavanje močnega gravitacijskega signala iz združitve binarnih črnih lukenj, kar potrjuje razširjenost takšnih sistemov po vsem vesolju. Za numerično oceno še nimamo dovolj statističnih podatkov, ker je prag napake previsok. Če pa za osnovo vzamemo trenutni prag LIGO in dejstvo, da signal najde na dva meseca (v povprečju), lahko varno rečemo, da je v vsaki galaksiji velikosti Mlečne ceste, ki jo lahko preiskujemo, vsaj ducat takih sistemov.
Napreden obseg LIGO in njegova sposobnost zaznavanja združevanja črnih lukenj
Poleg tega naši rentgenski podatki kažejo, da obstaja veliko binarnih črnih lukenj z manjšo maso; morda bistveno več, kot jih lahko najde LIGO. In to niti ne upošteva podatkov, ki kažejo na obstoj črnih lukenj, ki niso vključene v toge binarne sisteme in jih mora biti večina. Če ima naša galaksija na ducate črnih lukenj srednje in velike mase (10-100 sončnih mas), bi moralo biti na stotine (3-15 sončnih mas) binarnih črnih lukenj in na tisoče izoliranih (nebinarnih) črnih lukenj zvezdne mase.
Tu je poudarek na "vsaj".
Ker črne luknje je tako hudičevo težko najti. Zaenkrat lahko vidimo le najbolj aktivne, najbolj množične in najvidnejše. Črne luknje, ki se spiralno združujejo, so odlične, vendar bi morale biti takšne konfiguracije kozmološko redke. Tiste, ki jih je Chandra videla, so najbolj masivne, aktivne in vse, vendar večina črnih lukenj ni pošasti v milijonih milijard sončnih mas in večina velikih črnih lukenj je trenutno neaktivnih. Opazimo le majhen del črnih lukenj in to je vredno razumeti, kljub razkošnosti opazovanega.
Tisto, kar zaznamo kot izbruh gama sevanja, lahko nastane zaradi združevanja nevtronskih zvezd, ki odvajajo snov v vesolje in ustvarjajo najtežje znane elemente, na koncu pa ustvarijo tudi črno luknjo.
Pa vendar imamo način, da dobimo kvalitativno oceno števila in razširjenosti črnih lukenj: vemo, kako nastajajo. Vemo jih narediti iz mladih in masivnih zvezd, ki gredo v supernove, iz nevtronskih zvezd, ki se združijo, in v procesu neposrednega kolapsa. In čeprav so optični podpisi ustvarjanja črne luknje izjemno dvoumni, smo skozi zgodovino vesolja videli dovolj zvezd, njihovih smrti, katastrofalnih dogodkov in nastajanja zvezd, da bi lahko našli točno tiste številke, ki jih iščemo.
Ostanki supernove, rojene iz masivne zvezde, za seboj puščajo sesedajoč se objekt: bodisi črno luknjo bodisi nevtronsko zvezdo, iz katere se lahko pod določenimi pogoji naknadno oblikuje črna luknja
Vsi ti trije načini ustvarjanja črnih lukenj imajo vse korenine, če jim sledite do konca, do ogromnih regij nastajanja zvezd. Za pridobitev:
- Supernova, potrebuješ zvezdo, ki bo 8-10-krat večja od mase Sonca. Zvezde, večje od 20-40 sončnih mas, vam bodo dale črno luknjo; manjše zvezde - nevtronska zvezda.
- Nevtronska zvezda, ki se združi v črno luknjo, potrebuje bodisi dve nevtronski zvezdi, ki plešeta v spiralah ali trčita, ali pa nevtronska zvezda izsesa maso iz spremljevalne zvezde do določene meje (približno 2,5-3 sončne mase), da postane črna luknja.
- Neposreden kolaps črne luknje potrebujete dovolj materiala na enem mestu, da oblikujete zvezdo, ki je 25-krat bolj masivna od Sonca, in določene pogoje, da natančno dobite črno luknjo (ne supernove).
Fotografije Hubble prikazujejo masivno zvezdo, ki je 25-krat bolj masivna od Sonca in je preprosto izginila brez supernove ali druge razlage. Edina možna razlaga bo neposredni kolaps
V naši bližini lahko med vsemi zvezdami, ki nastajajo, izmerimo, koliko jih ima pravilno maso, da bi lahko postale črna luknja. Ugotovili smo, da ima le 0,1-0,2% vseh bližnjih zvezd dovolj mase, da gre supernova, pri čemer velika večina tvori nevtronske zvezde. Približno polovica sistemov, ki tvorijo binarne (binarne) sisteme, pa vključuje zvezde primerljivih mas. Z drugimi besedami, večina od 400 milijard zvezd, ki so nastale v naši galaksiji, nikoli ne bodo postale črne luknje.
Sodoben sistem spektralne klasifikacije za sisteme Morgan-Keenan s temperaturnim območjem vsakega zvezdnega razreda v Kelvinu. Velika večina (75%) zvezd je danes zvezd razreda M, od katerih jih je le 1 od 800 dovolj močnih, da postane supernova
Ampak to je v redu, kajti nekateri bodo. Še pomembneje pa je, da so mnogi že postali, čeprav v daljni preteklosti. Ko zvezde nastanejo, dobimo porazdelitev mase: dobimo nekaj masivnih zvezd, nekoliko večjih od povprečnih, in veliko nizko masnih. Toliko, da zvezde razreda M (rdeči pritlikavci) z maso le 8-40% sončne mase predstavljajo tri četrtine zvezd v naši bližini. Nove kopice zvezd ne bodo imele veliko masivnih zvezd, ki bi lahko šle v supernovo. Toda v preteklosti so bile regije, ki tvorijo zvezde, veliko večje in po masi bogatejše kot danes Mlečna pot.
Največji zvezdni vrtec v lokalni skupini, 30 Doradus v meglici Tarantula, vsebuje najbolj masivne zvezde, ki jih pozna človek. Na stotine jih bo (v naslednjih nekaj milijonih let) postalo črne luknje
Zgoraj vidite 30 Doradusov, največje regije, ki tvori zvezde v lokalni skupini, z maso 400.000 soncev. V tej regiji je na tisoče vročih, zelo modrih zvezd, od katerih jih bo na stotine postalo supernova. 10-30% se jih bo spremenilo v črne luknje, ostali pa bodo postali nevtronske zvezde. Predvidevam da:
- v naši galaksiji je bilo v preteklosti veliko takih regij;
- največja območja, ki tvorijo zvezde, so skoncentrirana vzdolž spiralnih krakov in proti galaktičnemu središču;
- tam, kjer danes vidimo pulsarje (ostanke nevtronskih zvezd) in vire gama žarkov, bodo tam črne luknje, - lahko naredimo zemljevid in na njem pokažemo, kje bodo črne luknje.
Nasin satelit Fermi je v visoki ločljivosti preslikal visoke energije vesolja. Črne luknje v galaksiji na zemljevidu bodo verjetno sledile izmetom z majhnim razprševanjem in jih bodo rešili milijoni ločenih virov.
To je Fermijev zemljevid virov gama žarkov na nebu. Podoben je zvezdnemu zemljevidu naše galaksije, le da močno poudarja galaktični disk. Starejši viri so se izčrpali v gama žarkih, zato so razmeroma novi točkovni viri.
V primerjavi s tem zemljevidom bo zemljevid črne luknje:
- bolj koncentriran v galaktičnem središču;
- nekoliko bolj zamegljena v širino;
- vključujejo galaktično izboklino;
- je sestavljen iz 100 milijonov predmetov, plus ali minus napake.
Če ustvarite hibrid karte Fermi (zgoraj) in karte COBE galaksije (spodaj), lahko dobite kvantitativno sliko lokacije črnih lukenj v galaksiji.
Galaksija vidna v infrardeči povezavi s COBE. Čeprav ta zemljevid prikazuje zvezde, bodo črne luknje sledile podobni porazdelitvi, čeprav bolj stisnjene v galaktični ravnini in bolj centralizirane proti izboklini.
Črne luknje so resnične, pogoste in veliko večino jih je danes izjemno težko zaznati. Vesolje obstaja že zelo dolgo in čeprav vidimo ogromno zvezd, je večina najbolj masivnih zvezd - 95% ali več - že zdavnaj umrla. Kaj so postali? Približno četrtina jih je postala črne luknje, milijoni se jih še vedno skrivajo.
Črna luknja milijardkrat masivnejša od Sonca napaja rentgenski curek v središču M87, vendar mora biti v tej galaksiji milijard drugih črnih lukenj. Njihova gostota bo koncentrirana v galaktičnem središču
Eliptične galaksije vrtijo črne luknje v eliptični roj, ki se roji okoli galaktičnega središča, podobno kot zvezde, ki jih vidimo. Številne črne luknje se sčasoma preselijo v gravitacijo v središču galaksije - zato supermasivne črne luknje postanejo supermasivne. Toda celotne slike še ne vidimo. In ne bomo videli, dokler se ne bomo naučili, kako kakovostno vizualizirati črne luknje.
V odsotnosti neposredne vizualizacije nam znanost samo to da in nam pove nekaj izjemnega: na vsakih tisoč zvezd, ki jih vidimo danes, obstaja približno ena črna luknja. Ni slaba statistika za popolnoma nevidne predmete, strinjate se.
ILYA KHEL