[Перевод] Спросите Итана: сколько чёрных дыр во Вселенной?
Хотя напрямую мы зафиксировали три слияния чёрных дыр, нам известно о существовании гораздо большего их количества. И вот, где они должны находиться
Уже в третий раз за историю наблюдений мы напрямую зафиксировали несомненную характерную черту чёрных дыр: гравитационные волны, порождённые их слиянием. Если совместить это с нашими знаниями об орбитах звёзд, движущихся вокруг центра галактики, наблюдениями за другими галактиками в рентгеновском и радиодиапазоне, и измерения скоростей движения газа, то получится неоспоримое свидетельство существования чёрных дыр в различных ситуациях. Но достаточно ли у нас информации, полученной из этих и прочих источников, для того, чтобы узнать истинное количество и распределение чёрных дыр во Вселенной? Этой теме посвящён сегодняшний вопрос читателя:
Последнее событие, зафиксированное на LIGO, заставило меня задуматься над тем, какого количество чёрных дыр, как бы выглядело небо, если бы могли их видеть (а для ясности, если бы могли видеть только чёрные дыры), каково пространственное и энергетическое распределение чёрных дыр по сравнению с распределением видимых звёзд?
Вашим первым порывом могло бы стать стремление перейти к прямым наблюдениям — и это отличное начало расследования.
Карта с экспозицией в 7 миллионов секунд, полученное в эксперименте Chandra Deep Field South (CDF-S) космической рентгеновской обсерваторией Чандра
Нашим лучшим рентгеновским телескопом до сих пор остаётся рентгеновская обсерватория Чандра. С её местоположения на орбите Земли она может улавливать даже отдельные фотоны, пришедшие от удалённых рентгеновских источников. Снимая изображения достаточно больших участков неба, она смогла определить сотни точечных источников рентгеновского излучения, каждый из которых соответствует удалённой галактике, расположенной за пределами нашей. На основе энергетического спектра полученных фотонов мы можем наблюдать доказательство наличия сверхмассивной чёрной дыры в центре каждой галактики.
Это само по себе удивительно, однако чёрных дыр существует гораздо больше, чем просто по одной ЧД гигантского размера для каждой галактики. Конечно же, каждая из галактик обладает хотя бы одной ЧД по массе превышающей Солнце в миллионы или даже миллиарды раз, но кроме них есть ещё много других.
Массы известных двойных систем ЧД, включая три подтверждённых слияния и один кандидат на слияние, полученные от LIGO
LIGO недавно объявил о своём третьей прямой фиксации чёткого сигнала гравитационных волн от сливающихся двойных ЧД, что говорит о распространённости таких систем по Вселенной. Для численной оценки у нас не хватает статистики, погрешности получаются слишком большими. Но если рассмотреть текущий радиус действия LIGO, и то, что он находит в среднем по одному сигналу каждые два месяца, можно с уверенностью заявить, что существует по меньшей мере десятки подобных систем в каждой галактике размером с Млечный путь.
Радиус действия Advanced LIGO и его возможности по обнаружению ЧД
Более того, наши рентгеновские данные говорят о существовании большого количества двойных ЧД. Возможно, их гораздо больше, чем те ЧД огромной массы, которые LIGO лучше распознаёт. И это даже не считая данных, указывающих на существование ЧД, не находящихся в бинарных системах с близким расположением друг к другу, которых, скорее всего, большинство. Если в нашей галактике существуют десятки двойных систем ЧД средней массы (10–100 солнечных), то систем малой массы (3–15 солнечных) в ней есть сотни, и, по меньшей мере, тысячи изолированных ЧД (не принадлежащих к двойным системам) массой, сравнимой с солнечной.
Подчеркну — «по меньшей мере».
ЧД чрезвычайно сложно обнаружить. Нам видны наиболее активные, наиболее массивные и наиболее экстремально расположенные. ЧД, падающие друг на друга по спирали и сливающиеся друг с другом — это прекрасно, но ожидаемое количество таких конфигураций довольно мало. Чандра различает только самые массивные и активные, но большинство ЧД не обладают массами, превышающими солнечную в миллионы или миллиарды раз, а большая часть даже из таких гигантских ЧД в данный момент не являются активными. Те ЧД, что мы можем видеть, должны составлять крохотную долю того, что есть в космосе на самом деле, независимо от того, насколько эффектные процессы мы наблюдаем.
То, что мы воспринимаем, как всплеск гамма-излучения, могло родиться при слиянии нейтронных звёзд, выбрасывающих материю во Вселенную, создающих самые тяжёлые из известных элементов и в конце порождающих ЧД
Но у нас есть способ получить хорошую оценку количества и распределения ЧД: мы знаем, как они формируются. Мы знаем, как сделать их из молодых и массивных звёзд, становящихся сверхновыми, из нейтронных звёзд, прирастающих благодаря аккреции или сливающихся, и из прямых столкновений. И хотя оптические сигналы создания ЧД получаются двусмысленными, мы видели достаточно звёзд, звёздных смертей, катаклизмов и процессов их формирования за всю историю Вселенной, чтобы вычислить именно то количество, которое нам нужно.
Остатки сверхновой, возникающие из массивной звезды, оставляют за собой схлопнувшийся объект: либо ЧД, либо нейтронную звезду, причём последняя тоже может в будущем стать ЧД в подходящих условиях
Все эти три способа получения ЧД относятся, если проследить их эволюцию обратно к началу, к крупным участкам звёздного формирования. Чтобы получить:
- сверхновую, вам понадобится звезда в 8–10 раз массивнее Солнца. Из звёзд в 20–40 раз массивнее получатся ЧД, из звёзд меньшей массы получатся нейтронные.
- слияние нейтронных звёзд или приращение аккрецией до ЧД, вам нужно либо две нейтронных звезды, сближающихся по спирали или случайно сталкивающихся, или же нейтронную звезду, высасывающую массу из звезды-компаньона и переходящую предел в 2,5–3 солнечных массы, необходимый, чтобы стать ЧД.
- прямое схлопывание в ЧД, вам нужно собрать в одном месте достаточно материи, чтобы получить звезду в ~25 раз больше Солнца по массе, и подходящие условия для формирования ЧД (без появления сверхновой).
Фотографии в видимом и близком к инфракрасному диапазонах, полученные Хабблом, показывают массивную звезду, примерно в 25 раз больше Солнца, исчезнувшую с небосвода без появления сверхновой или других объяснений. Прямое схлопывание — единственное разумное объяснение.
Мы можем измерить звёзды, расположенные недалеко от нас, и оценить, какая доля из появляющихся звёзд получается подходящей массы для того, чтобы впоследствии превратиться в ЧД. В результате мы получим, что лишь порядка 0,1 — 0,2% из всех близких к нам звёзд обладают массой, достаточной хотя бы для превращения в сверхновую, а большинство из них превращаются в нейтронные звёзды. Порядка половины формирующихся систем получаются двойными, а в большинстве из обнаруженных нами таких систем масса звёзд сравнима между собой. Иначе говоря, большая часть из 400 млрд звёзд, сформировавшихся в нашей галактике, никогда не станут ЧД.
Современная спектральная классификация звёзд Моргана-Кинана и температурный промежуток каждого из классов (в кельвинах). Большая часть (75%) современных звёзд относятся к классу М, и только 1 из 800 имеет достаточно массы для того, чтобы стать сверхновой
Но это нестрашно, поскольку вообще мало какие звёзды станут ЧД. Что более важно, достаточно большое количество звёзд, скорее всего, уже превратились в ЧД, в далёком прошлом. Где бы ни происходило формирование звёзд, существует распределение масс: там появляется несколько звёзд большой массы, гораздо больше звёзд средней массы, и очень большое количество звёзд малой массы. Их так много, что к классу М (красный карлик), масса которых составляет от 8 до 40% массы Солнца, принадлежит 3 из каждых 4 звёзд, расположенных недалеко от нас. Во многих новых звёздных скоплениях найдётся очень немного звёзд большой массы: тех, что превратятся в сверхновые. Но в прошлом в Галактике существовали регионы формирования звёзд, которые были гораздо больше и обладали гораздо большей массой, чем мы видим в Млечном пути сегодня.
Крупнейшие звёздные ясли в местной группе, туманность Тарантул, могут похвастаться крупнейшими из известных человечеству звёзд. Сотни из них когда-нибудь (в следующие несколько миллионов лет) станут чёрными дырами.
На фото выше показан крупнейший регион звёздного формирования в местной группе массой порядка 400 000 солнечных. В этом регионе присутствуют тысячи горячих и очень голубых звёзд, из которых сотни, скорее всего, превратятся в сверхновые. Где-то 10–30% из них станут ЧД, а остальные — нейтронными звёздами. Если учесть, что:
- в нашей галактике в прошлом было множество таких участков,
- крупнейшие участки формирования звёзд концентрировались вокруг спиральных рукавов и по направлению к центру галактики,
- и что сегодня мы наблюдаем пульсары (остатки нейтронных звёзд) и источники гамма-излучения, скорее всего, являющиеся чёрными дырами,
то мы можем построить карту расположения ЧД.
Спутник Ферми от НАСА построил карту высоких энергий Вселенной с наивысшим разрешением из всех когда-либо созданных. Карта ЧД галактики, скорее всего, покажет чуть больший разброс объектов и превратится в миллионы отдельных точечных источников
Это карта Ферми полного неба, собравшая все источники гамма-излучения. Она похожа на звёздную карту нашей галактики, за исключением того, что на ней сильнее выделен галактический диск. Кроме того, более старые источники перестают испускать гамма-лучи, поэтому эти источники излучения появились сравнительно недавно.
По сравнению с этой картой, карта ЧД будет:
- Более концентрированной к центру Галактики;
- Чуть более рассеянной в ширину;
- Содержать галактический балдж;
- Состоять из порядка 100 млн объектов, плюс-минус один порядок.
Если совместить карту Ферми (выше) и инфракрасную карту Галактики от COBE (ниже), вы получите количественное распределение ЧД в нашей Галактике.
Галактика в инфракрасном свете, фото со спутника COBE. Хотя на ней видны только звёзды, у ЧД будет схожее распределение, хотя и более сжатое к плоскости Галактики и больше стремящееся к балджу
Чёрные дыры — объекты реальные, распространённые, и большая их часть ведёт себя тихо, поэтому сегодня их трудно обнаружить. Вселенная существует уже очень давно, и хотя сегодня нам видно огромное количество звёзд, большая часть из всех существовавших звёзд крупной массы — более 95% из них — уже давно погибли. Куда они делись? Порядка четверти из них стала ЧД, и многие миллионы их так и существуют, затаившись, в нашей Галактике, а в остальных галактиках их процент примерно соответствует нашему.
Чёрная дыра в миллиард солнечных масс питает рентгеновский джет в центре галактики М87, но, возможно, в той галактике существует ещё миллиард иных ЧД. Они будут скапливаться преимущественно к центру.
У эллиптических галактик ЧД будут собираться в эллиптический рой и скапливаться поближе к центру, примерно так, как делают звёзды. Многие ЧД будут со временем мигрировать по направлению к гравитационному колодцу в центре галактики благодаря «сегрегации масс» — так, по-видимому, сверхмассивные ЧД и стали сверхмассивными. Но пока прямых доказательств этого сценария у нас нет; если у нас не появится способа напрямую наблюдать тихие ЧД, мы никогда не сможем узнать это наверняка. Но из того, что нам известно, это наилучшая картина из всех, что мы можем нарисовать. Она непротиворечива, убедительна, и на неё указывают все косвенные свидетельства.
Поглощение света миллиметрового диапазона, испущенного электронами, шныряющими в мощных магнитных полях, создаваемых сверхмассивными ЧД в галактиках, приводят к появлению тёмного пятна в центре этой галактики. Тень указывает на то, что холодные облака молекулярного газа падают на ЧД
В отсутствии возможности прямых наблюдений это всё, на что может рассчитывать наука, и это приводит нас к интересному выводу: на каждую тысячу видимых нами сегодня звёзд приходится примерно одна ЧД в среднем, расположенная, вероятнее всего, в более плотном участке пространства. Неплохая точность для ответа на вопрос о том, что практически полностью невидимо!
Итан Сигель — астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
