For tredje gang i historien har vi direkte opdaget den ubestridelige underskrift af sorte huller: tyngdekraftsbølger fra deres fusion. I kombination med det, vi allerede ved om stjernebaner nær det galaktiske centrum, røntgen- og radioobservationer af andre galakser, målinger af hastigheden af gasbevægelsen, er det umuligt at benægte eksistensen af sorte huller. Men vil vi have nok information fra disse og andre kilder til at fortælle os, hvor mange sorte huller der virkelig er i universet, og hvordan de fordeles?
Faktisk, hvor mange sorte huller er der i universet sammenlignet med synlige stjerner?
Den første ting, du gerne vil gøre, er at gå videre til direkte observation. Og dette er en god start.
7 millioner sekunders eksponeringskort af Chandra Deep Field-South. Der er hundreder af supermassive sorte huller i denne region
Vores bedste røntgenteleskop til dato er Chandra røntgenobservatorium. Fra sin position i jordens bane kan den identificere endda enkeltfotoner fra fjerne røntgenkilder. Ved at skabe dybe billeder af betydelige dele af himlen kan den bogstaveligt identificere hundredvis af røntgenkilder, der hver svarer til en fjern galakse ud over vores egen. Baseret på energispektret for de modtagne fotoner ser vi supermassive sorte huller i midten af enhver galakse.
Men så utrolig som denne opdagelse er, er der mange flere sorte huller i verden end en pr. Galakse. Selvfølgelig er der i hver galakse i gennemsnit mindst millioner eller milliarder solmasser, men vi ser ikke alt.
Masserne af kendte binære sorte hulsystemer, herunder tre verificerede fusioner og en fusionskandidat fra LIGO
Salgsfremmende video:
LIGO annoncerede for nylig sin tredje direkte detektering af et kraftigt tyngdekraftssignal fra en fusion af binære sorte huller, hvilket bekræfter forekomsten af sådanne systemer i hele universet. Vi har endnu ikke nok statistikker til at få et numerisk skøn, fordi fejltærsklen er for høj. Men hvis vi tager udgangspunkt i den nuværende tærskel for LIGO og det faktum, at den finder et signal hver anden måned (i gennemsnit), kan vi med sikkerhed sige, at der i hver galakse på størrelse med Mælkevejen, som vi kan sonde, er der mindst et dusin sådanne systemer.
Avanceret LIGO-rækkevidde og dens evne til at opdage sammensmeltende sorte huller
Desuden viser vores røntgendata, at der er mange binære sorte huller med lavere masse; måske betydeligt mere end de massive LIGO kan finde. Og dette tager ikke engang hensyn til data, der indikerer eksistensen af sorte huller, som ikke er inkluderet i stive binære systemer, og der skal være et flertal af dem. Hvis vores galakse har snesevis af sorte huller med medium og høj masse (10-100 solmasser), skal der være hundreder (3-15 solmasser) af binære sorte huller og tusinder af isolerede (ikke-binære) sorte huller af stjernemasse.
Her lægges der vægt på "i det mindste".
Fordi sorte huller er så forbandet svære at finde. Indtil videre kan vi kun se de mest aktive, de mest massive og de mest fremtrædende. Sorte huller, der spiraliserer og smelter sammen, er gode, men sådanne konfigurationer skal være kosmologisk sjældne. Dem, som Chandra har set, er de mest massive, aktive og alle, men de fleste sorte huller er ikke monstre i de millioner milliarder solmasser, og de fleste af de store sorte huller er inaktive på nuværende tidspunkt. Vi observerer kun en lille brøkdel af sorte huller, og det er værd at forstå, på trods af den observerede pragt.
Det, vi opfatter som en burst af gammastråling, kan forekomme ved sammensmeltning af neutronstjerner, som skubber stof ud i universet og skaber de tungeste kendte elementer, men også i sidste ende skaber et sort hul.
Og alligevel har vi en måde at få et kvalitativt skøn over antallet og fordelingen af sorte huller: vi ved, hvordan de dannes. Vi ved, hvordan man laver dem fra unge og massive stjerner, der bliver supernovaer, fra neutronstjerner, der smelter sammen, og i færd med direkte sammenbrud. Og selvom de optiske underskrifter for skabelsen af et sort hul er ekstremt tvetydige, har vi set nok stjerner, deres dødsfald, katastrofale begivenheder og stjernedannelse gennem hele universets historie til at være i stand til at finde nøjagtigt de tal, vi leder efter.
Resterne af en supernova født af en massiv stjerne efterlader en kollapsende genstand: enten et sort hul eller en neutronstjerne, hvorfra et sort hul senere kan dannes under visse betingelser
Disse tre måder at skabe sorte huller har alle deres rødder, hvis du følger dem igennem, til massive regioner med stjernedannelse. At opnå:
- Supernova, du har brug for en stjerne, der vil være 8-10 gange solens masse. Stjerner, der er større end 20-40 solmasser, giver dig et sort hul; mindre stjerner - en neutronstjerne.
- En neutronstjerne, der smelter sammen i et sort hul, har brug for enten to neutronstjerner, der danser i spiraler eller kolliderer, eller en neutronstjerne suger masse ud af en ledsagende stjerne til en bestemt grænse (ca. 2,5-3 solmasser) for at blive et sort hul.
- Direkte kollaps af et sort hul, du har brug for nok materiale ét sted til at danne en stjerne 25 gange mere massiv end Solen, og visse betingelser for nøjagtigt at få et sort hul (ikke en supernova).
Hubble-fotografier viser en massiv stjerne 25 gange mere massiv end Solen, som simpelthen forsvandt uden supernova eller anden forklaring. Direkte sammenbrud vil være den eneste mulige forklaring
I vores nærhed kan vi måle af alle de stjerner, der dannes, hvor mange af dem der har den rigtige masse til potentielt at blive et sort hul. Vi finder ud af, at kun 0,1-0,2% af alle nærliggende stjerner har masser nok til at blive supernova, hvor langt størstedelen danner neutronstjerner. Omkring halvdelen af de systemer, der danner binære (binære) systemer, inkluderer dog stjerner af sammenlignelige masser. Med andre ord, de fleste af de 400 milliarder stjerner, der er dannet i vores galakse, bliver aldrig sorte huller.
Et moderne spektralklassifikationssystem til Morgan-Keenan-systemer med temperaturområdet for hver stjerneklasse i Kelvin. Langt størstedelen (75%) af stjerner i dag er M-klassestjerner, hvoraf kun 1 ud af 800 er massive nok til at blive supernova
Men det er okay, for nogle af dem vil. Endnu vigtigere er, at mange allerede er blevet, omend i en fjern fortid. Når stjerner dannes, får du en massefordeling: du får et par massive stjerner, lidt større end gennemsnittet, og mange lav-masser. Så mange, at M-klasse stjerner (røde dværge) med en masse på kun 8-40% af solmassen udgør tre fjerdedele af stjernerne i vores nærhed. Nye klynger af stjerner vil ikke have mange massive stjerner, der kan blive supernova. Men tidligere var de stjernedannende regioner meget større og rigere i masse end Mælkevejen er i dag.
Den største stjerneskole i den lokale gruppe, 30 Doradus i Tarantula-tågen, indeholder de mest massive stjerner, som mennesket kender. Hundredvis af dem (i de næste par millioner år) bliver sorte huller
Ovenfor ser du 30 Doradus, den største stjernedannende region i den lokale gruppe, med en masse på 400.000 soler. Der er tusindvis af varme, meget blå stjerner i denne region, hvoraf hundreder bliver supernovaer. 10-30% af dem bliver til sorte huller, og resten bliver neutronstjerner. Forudsat at:
- der var mange sådanne regioner i vores galakse tidligere;
- de største stjernedannende regioner er koncentreret langs spiralarmene og mod det galaktiske centrum;
- hvor vi ser pulsarer (resterne af neutronstjerner) og kilder til gammastråler i dag, vil der være sorte huller, - vi kan lave et kort og vise på det, hvor de sorte huller vil være.
NASAs Fermi-satellit har kortlagt universets høje energier i høj opløsning. Sorte huller i en galakse på et kort følger sandsynligvis små spredningsudkast og løses af millioner af separate kilder.
Dette er Fermis kort over gammastrålekilder på himlen. Det ligner stjernekortet i vores galakse, bortset fra at det stærkt fremhæver den galaktiske disk. Ældre kilder er udtømt i gammastråler, så de er relativt nye punktkilder.
Sammenlignet med dette kort vil kortet med sort hul være:
- mere koncentreret i det galaktiske centrum;
- lidt mere sløret i bredden
- inkluderer galaktisk bule
- består af 100 millioner objekter plus eller minus fejlen.
Hvis du opretter en hybrid af Fermi-kortet (ovenfor) og COBE-galakse-kortet (nedenfor), kan du få et kvantitativt billede af placeringen af sorte huller i galaksen.
Galaxy synlig i infrarød fra COBE. Selvom dette kort viser stjerner, vil sorte huller følge en lignende fordeling, omend mere komprimeret i det galaktiske plan og mere centraliseret mod udbulingen.
Sorte huller er reelle, almindelige, og langt størstedelen af dem er ekstremt vanskelige at opdage i dag. Universet har eksisteret i meget lang tid, og selvom vi ser et stort antal stjerner, er de fleste af de mest massive stjerner - 95% eller mere - længe siden døde. Hvad er de blevet? Omkring en fjerdedel af dem er blevet sorte huller, millioner gemmer sig stadig.
Et sort hul milliarder af gange mere massivt end solen føder røntgenstrålen i centrum af M87, men der skal være milliarder af andre sorte huller i denne galakse. Deres tæthed koncentreres i det galaktiske centrum
Elliptiske galakser hvirvler sorte huller ind i en elliptisk sværm, der sværmer rundt om det galaktiske centrum, ligesom stjernerne vi ser. Mange sorte huller vandrer til sidst til tyngdekraften i midten af galaksen - hvorfor supermassive sorte huller bliver supermassive. Men vi kan ikke se hele billedet endnu. Og vi kan ikke se, før vi lærer, hvordan man kvalitativt kan visualisere sorte huller.
I mangel af direkte visualisering giver videnskaben os kun dette og fortæller os noget bemærkelsesværdigt: for hvert tusind stjerner, vi ser i dag, er der omtrent et sort hul. Ikke en dårlig statistik for helt usynlige objekter, du skal være enig.
ILYA KHEL