Сколько во Вселенной черных дыр?
В третий раз за историю мы напрямую обнаружили неоспоримую сигнатуру черных дыр: гравитационные волны, появившиеся в результате их слияния. В сочетании с тем, что мы уже знаем о звездных орбитах возле галактического центра, рентгеновских и радионаблюдений других галактик, измерений скорости движения газа, отрицать существование черных дыр ну никак нельзя. Но хватит ли нам информации, из этих и других источников, чтобы рассказать нам, сколько на самом деле во Вселенной черных дыр и как они распределяются?
В самом деле, как много во Вселенной черных дыр, если сравнивать с видимыми звездами?
Первое, что вы хотели бы сделать, это перейти к прямым наблюдениям. И это отличное начало.
Сколько всего черных дыр
Карта экспозиции в 7 миллионов секунд, сделанная Chandra Deep Field — South. В этом регионе сотни сверхмассивных черных дыр
Наш лучший рентгеновский телескоп на сегодняшний день — это рентгеновская обсерватория Чандра. Со своей позиции на орбите Земли она может идентифицировать даже одиночные фотоны из отдаленных источников рентгеновского излучения. Создавая глубокие изображения существенных участков неба, она может идентифицировать буквально сотни рентгеновских источников, каждый из которых соответствует далекой галактике за пределами нашей собственной. Основываясь на энергетическом спектре полученных фотонов, мы видим сверхмассивные черные дыры в центре каждой галактики.
Но каким бы невероятным ни было это открытие, в мире гораздо больше черных дыр, чем по одной на галактику. Конечно, в каждой галактике, в среднем, есть по меньшей мере миллионы или миллиарды солнечных масс, но мы видим далеко не всё.
Массы известных бинарных систем черных дыр, включая три проверенных слияния и одного кандидата на слияния от LIGO
Сколько черных дыр в галактике
Недавно LIGO заявила о своем третьем прямом обнаружении мощного гравитационного сигнала от слияния бинарных черных дыр, что подтвердило распространенность таких систем по Вселенной. У нас пока недостаточно статистики, чтобы получить числовую оценку, поскольку порог ошибки слишком высок. Но если взять за основу текущий порог LIGO и тот факт, что она находит сигнал раз в два месяца (в среднем), можно с уверенность сказать, что в каждой галактике размером с Млечный Путь, которую мы можем зондировать, есть как минимум с десяток таких систем.
Диапазон Advanced LIGO и ее возможность обнаружения сливающихся черных дыр
Более того, наши рентгеновские данные показывают, что есть много бинарных черных дыр с меньшей массой; возможно, значительно больше, чем массивных, которые может найти LIGO. И это даже не учитывая данные, указывающие на существование черных дыр, которые не включены в жесткие бинарные системы, а их должно быть большинство. Если в нашей галактике есть десятки черных дыр средней и высокой массы (в 10-100 солнечных масс), должны быть сотни (3-15 солнечных масс) бинарных черных дыр и тысячи изолированных (небинарных) черных дыр звездной массы.
Здесь стоит сделать акцент на «как минимум».
Потому что черные дыры чертовски сложно искать. Пока что мы можем видеть лишь самые активные, самые массивные и самые выдающиеся. Черные дыры, которые закручиваются по спирали и сливаются, великолепны, но такие конфигурации должны быть космологически редкими. Те, что увидела Чандра, являются самыми массивными, активными и все такое, но большинство черных дыр не являются монстрами в миллионы-миллиарды солнечных масс, и большинство больших черных дыр неактивны в настоящее время. Мы наблюдаем лишь малую фракцию черных дыр, и это стоит понимать, невзирая на все великолепие наблюдаемого.
То, что мы воспринимаем как взрыв гамма-излучения, может возникать в процессе слияния нейтронных звезд, которые выбрасывают вещество во Вселенную и создают самые тяжелые из известных элементов, но также порождают черную дыру в конце
Как образуются черные дыры
И все же у нас есть способ получить качественную оценку количества и распределения черных дыр: мы знаем, как они образуются. Мы знаем, как сделать их из молодых и массивных звезд, которые становятся сверхновыми, из нейтронных звезд, которые сливаются, и в процессе прямого коллапса. И хотя оптические сигнатуры создания черной дыры крайне неоднозначны, мы повидали достаточно звезд, их смерти, катастрофических событий и звездообразования за всю историю Вселенной, чтобы иметь возможность найти именно те цифры, которые ищем.
Останки сверхновой, рожденной из массивной звезды, оставляют после себя коллапсирующий объект: либо черную дыру, либо нейтронную звезду, из которой в дальнейшем может образоваться черная дыра при определенных условиях
Три этих способа создания черных дыр все уходят корнями, если проследить все до конца, в массивные регионы звездообразования. Чтобы получить:
- Сверхновую, вам нужна звезда, которая будет в 8-10 раз больше массы Солнца. Звезды больше 20-40 солнечных масс дадут вам черную дыру; звезды меньше — нейтронную звезду.
- Нейтронную звезду, сливающуюся в черную дыру, нужно либо две нейтронных звезды, танцующих в спирали или сталкивающихся, либо нейтронная звезда, высасывающая массу из звезды-компаньона до определенного предела (около 2,5-3 солнечных масс), чтобы стать черной дырой.
- Прямой коллапс черной дыры, вам нужно достаточно материала в одном месте для образования звезды в 25 раз массивнее Солнца, и определенные условия, чтобы точно получить черную дыру (а не сверхновую).
В наших окрестностях мы можем измерить, из всех образующихся звезд, сколько из них имеют правильную массу, чтобы потенциально стать черной дырой. Мы находим, что лишь 0,1-0,2% всех звезд поблизости имеют достаточно массы, чтобы стать сверхновой, причем подавляющее большинство образует нейтронные звезды. Около половины систем, которые образуют бинарные (двоичные) системы, однако, включают звезды сопоставимых масс. Другими словами, большинство из 400 миллиардов звезд, сформировавшихся в нашей галактике, никогда не станут черными дырами.
Современная система спектральной классификации систем Моргана-Кинана с температурным диапазоном каждого звездного класса в кельвинах. Превосходящее большинство (75%) звезд сегодня — звезды М-класса, из которых лишь 1 на 800 достаточно массивна, чтобы стать сверхновой
Но это нормально, потому что некоторые из них станут. Что еще более важно, многие уже стали, хоть и в далеком прошлом. При образовании звезд вы получаете распределение масс: вы получаете несколько массивных звезд, несколько больше средних по массе и очень много маломассивных. Настолько много, что маломассивные звезды М-класса (красные карлики) с массой всего в 8-40% солнечной составляют три четверти звезд в наших окрестностях. В новых скоплениях звезд будет не так много массивных звезд, которые могут стать сверхновыми. Но в прошлом звездообразующие регионы были намного больше и богаче массой, чем Млечный Путь сегодня.
Крупнейшие звездные ясли в местной группе, 30 Doradus в Туманности Тарантула, включают самые массивные звезды, известные человечеству. Сотни из них (в следующие несколько миллионов лет) станут черными дырами
Выше вы видите 30 Doradus, крупнейший звездообразующий регион в местной группе, с массой в 400 000 солнц. В этом регионе тысячи горячих, очень синих звезд, из которых сотни станут сверхновыми. 10-30% из них превратятся в черные дыры, а остальные станут нейтронными звездами. Если предположить, что:
- в нашей галактике было много таких регионов в прошлом;
- крупнейшие звездообразующие регионы сосредоточены вдоль спиральных рукавов и по направлению к галактическому центру;
- где мы видим пульсары (останки нейтронных звезд) и источники гамма-лучей сегодня, будут черные дыры,
мы можем составить карту и показать на ней, где будут черные дыры.
Спутник NASA «Ферми» составил карту высоких энергий Вселенной в высоком разрешении. Черные дыры в галактике на карте вероятнее всего будут следовать выбросам с небольшим разбросом и разрешаться миллионами отдельных источников
Карта черных дыр
Это карта гамма-лучевых источников неба, составленная «Ферми». Она похожа на звездную карту нашей галактики, разве что сильно высвечивает галактический диск. Более старые источники обеднели на гамма-лучи, поэтому это относительно новые точечные источники.
По сравнению с этой картой, карта черных дыр будет:
- более сосредоточенной в галактическом центре;
- чуть более размытой по ширине;
- включать галактическую выпуклость;
- состоять из 100 миллионов объектов, плюс-минус погрешность.
Если создать гибрид карты «Ферми» (выше) и карту галактики COBE (ниже), можно получить количественную картину расположения черных дыр в галактике.
Галактика, видимая в инфракрасном от COBE
Хотя эта карта показывает звезды, черные дыры будут следовать похожему распределению, хоть и более сжатому в галактической плоскости и более централизованному к выпуклости
Черные дыры реальные, распространены и подавляющее большинство из них крайне трудно обнаружить сегодня. Вселенная существует очень давно, и хотя мы видим огромное число звезд, большинство из самых массивных звезд — 95% и больше — уже давно погибли. Чем они стали? Около четверти из них стали черными дырами, миллионы еще скрываются.
Эллиптические галактики закручивают черные дыры в эллиптический рой, скапливающийся вокруг галактического центра, примерно как и звезды, что мы видим. Многие черные дыры со временем мигрируют в гравитационный колодец в центре галактики — поэтому сверхмассивные черные дыры и становятся сверхмассивными. Но мы пока не видим этой картины целиком. И не увидим, пока не научимся качественно визуализировать черные дыры.
В отсутствие прямой визуализации, наука дает нам только это и рассказывает кое-что примечательное: на каждую тысячу звезд, что мы видим сегодня, есть примерно одна черная дыра. Неплохая статистика для совершенно невидимых объектов, согласитесь.
Источник
Сколько черных дыр во Вселенной
Какой длины кусок бечевки? Сколько песчинок на пляже? Сколько звезд в Галактике? На эти вопросы почти невозможно ответить.
То же самое верно и для числа черных дыр во Вселенной, поскольку было постулировано, что их так много, что вы никогда не могли бы надеяться сосчитать их.
Даже если мы попытаемся, мы никогда не получим правильного ответа, так как большая часть Вселенной будет скрыта от нашего взгляда навсегда. Если бы такая попытка была предпринята, нам сначала пришлось бы ограничить наш счет тем, что правильнее назвать «Наблюдаемой Вселенной».
Сколько черных дыр во Вселенной?
Черные дыры звездной массы формируются из сверхновых массивных звезд. Один только Млечный Путь, вероятно, содержит тысячи черных дыр звездной массы.
Это должно означать, что в нашей галактике может быть до 100 миллионов черных дыр звездного масштаба. Но это число теоретически увеличивается с каждой проходящей секундой.
Считается, что новые черные дыры типа звездной массы формируются примерно раз в секунду.
Если мы говорим о сверхмассивных черных дырах, то они, как правило, скрываются в центре галактик. В нашей локальной области космоса может быть 100 миллиардов сверхмассивных черных дыр или около того.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются
Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.
Что такое черная дыра
Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.
Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.
Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.
— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.
— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.
— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.
— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.
Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.
С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов. Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь .
При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.
Открытие черных дыр
Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.
В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.
Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.
Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).
Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.
Существует несколько типов черных дыр:
- Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
- Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
- Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
- Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.
Сколько черных дыр во Вселенной?
Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.
Источник