Trešo reizi vēsturē mēs esam tieši atklājuši nenoliedzamo melno caurumu parakstu: gravitācijas viļņi no to apvienošanās. Kopā ar to, ko mēs jau zinām par zvaigžņu orbītām galaktikas centra tuvumā, citu galaktiku rentgena un radio novērojumiem, gāzes kustības ātruma mērījumiem, nav iespējams noliegt melno caurumu esamību. Bet vai mums būs pietiekami daudz informācijas no šiem un citiem avotiem, lai pastāstītu, cik daudz Visumā ir melno caurumu un kā tie tiek izplatīti?
Patiešām, cik daudz Visumā ir melno caurumu, salīdzinot ar redzamajām zvaigznēm?
Pirmā lieta, ko vēlaties darīt, ir pāriet uz tiešo novērošanu. Un tas ir lielisks sākums.
Chandra Deep Field-South ekspozīcijas karte 7 miljonu sekunžu laikā. Šajā reģionā ir simtiem supermasīvu melno caurumu
Mūsu labākais rentgenstaru teleskops līdz šim ir Chandra rentgena observatorija. Pēc atrašanās vietas Zemes orbītā tas var identificēt pat atsevišķus fotonus no attāliem rentgena avotiem. Veidojot dziļus nozīmīgu debess daļu attēlus, tas var burtiski identificēt simtiem rentgenstaru avotu, no kuriem katrs atbilst tālai galaktikai ārpus mūsu pašu. Pamatojoties uz saņemto fotonu enerģijas spektru, katras galaktikas centrā mēs varam redzēt supermasīvus melnos caurumus.
Lai arī cik neticami šis atklājums būtu, pasaulē ir daudz vairāk melno caurumu nekā viens katrā galaktikā. Protams, katrā galaktikā vidēji ir vismaz miljoni vai miljardi Saules masu, taču mēs visu neredzam.
Zināmu bināro melno caurumu sistēmu masas, ieskaitot trīs pārbaudītas apvienošanās un vienu apvienošanās kandidātu no LIGO
Reklāmas video:
LIGO nesen paziņoja par trešo tiešu spēcīga gravitācijas signāla noteikšanu no bināro melno caurumu apvienošanās, apstiprinot šādu sistēmu izplatību visā Visumā. Mums vēl nav pietiekami daudz statistikas datu, lai iegūtu skaitlisku aprēķinu, jo kļūdu slieksnis ir pārāk augsts. Bet, ja par pamatu ņemam pašreizējo LIGO slieksni un to, ka tas ik pēc diviem mēnešiem atrod signālu (vidēji), mēs varam droši apgalvot, ka katrā Piena ceļa lieluma galaktikā, kuru mēs varam pārbaudīt, tādu ir vismaz ducis sistēmas.
Uzlabots LIGO klāsts un tā spēja atklāt melno caurumu saplūšanu
Turklāt mūsu rentgenstaru dati liecina, ka ir daudz bināro melno caurumu ar mazāku masu; varbūt ievērojami vairāk, nekā var atrast LIGO. Un tas pat neņem vērā datus, kas norāda uz melno caurumu esamību, kuri nav iekļauti stingrās binārajās sistēmās, un tiem jābūt vairākumam. Ja mūsu galaktikā ir desmitiem vidējas un lielas masas melno caurumu (10–100 Saules masas), vajadzētu būt simtiem (3–15 Saules masu) bināro melno caurumu un tūkstošiem izolētu (ne bināru) zvaigžņu masu.
Šeit uzsvars tiek likts uz "vismaz".
Tāpēc, ka melnās caurumus ir tik sasodīti grūti atrast. Pagaidām mēs varam redzēt tikai aktīvākos, masīvākos un pamanāmākos. Melnās caurumi, kas spirālē un saplūst, ir lieliski, taču šādām konfigurācijām vajadzētu būt kosmoloģiski retām. Tās, kuras Čandra ir redzējusi, ir vismasīvākās, aktīvākās un visas, taču lielākā daļa melno caurumu nav monstri miljonos, miljardos saules masu, un lielākā daļa lielo melno caurumu pašlaik ir neaktīvi. Mēs novērojam tikai nelielu daļu melno caurumu, un tas ir vērts saprast, neskatoties uz novēroto lielumu.
Tas, ko mēs uztveram kā gamma starojuma uzliesmojumu, var rasties, apvienojoties neitronu zvaigznēm, kas izstaro matēriju Visumā un rada smagākos zināmos elementus, bet beigās arī rada melno caurumu.
Un tomēr mums ir veids, kā iegūt kvalitatīvu melno caurumu skaita un izplatības novērtējumu: mēs zinām, kā tie veidojas. Mēs zinām, kā tos izgatavot no jaunām un masīvām zvaigznēm, kas nonāk supernovā, no neitronu zvaigznēm, kas saplūst un tieši sabrūk. Un, lai gan melnā cauruma radīšanas optiskie paraksti ir ārkārtīgi neskaidri, visā Visuma vēsturē mēs esam redzējuši pietiekami daudz zvaigžņu, to nāves, katastrofālos notikumus un zvaigžņu veidošanos, lai spētu atrast tieši tos skaitļus, kurus meklējam.
No masīvas zvaigznes dzimušas supernovas paliekas atstāj aiz sabrukušu objektu: vai nu melno caurumu, vai neitronu zvaigzni, no kuras vēlāk noteiktos apstākļos var izveidoties melnā caurums.
Šiem trim melno caurumu veidošanas veidiem ir visas saknes, ja jūs tiem sekojat līdz galam, līdz masveida zvaigžņu veidošanās reģioniem. Iegūt:
- Supernova, jums ir nepieciešama zvaigzne, kas būs 8-10 reizes lielāka par Saules masu. Zvaigznes, kas pārsniedz 20–40 Saules masas, dos jums melno caurumu; mazākas zvaigznes - neitronu zvaigzne.
- Neitronu zvaigznei, kas saplūst melnajā caurumā, ir vajadzīgas vai nu divas neitronu zvaigznes, kas dejo spirālēs vai saduras, vai arī neitronu zvaigznei, kas izsūc masu no pavadošās zvaigznes līdz noteiktai robežai (apmēram 2,5-3 saules masas), lai kļūtu par melno caurumu.
- melna cauruma tieša sabrukšana, jums ir nepieciešams pietiekami daudz materiāla vienā vietā, lai izveidotos 25 reizes masīvāka zvaigzne nekā Saule, un noteikti apstākļi, lai precīzi iegūtu melno caurumu (nevis supernovu).
Habla fotogrāfijās redzama masīva zvaigzne, kas ir 25 reizes masīvāka nekā Saule, kura vienkārši pazuda bez supernovas vai cita izskaidrojuma. Tieša sabrukšana būs vienīgais iespējamais izskaidrojums
Mūsu tuvumā mēs varam izmērīt no visām zvaigznēm, kas veidojas, cik daudzām no tām ir pareizā masa, lai tā varētu kļūt par melno caurumu. Mēs atklājam, ka tikai 0,1–0,2% no visām tuvumā esošajām zvaigznēm ir pietiekami daudz masas, lai nokļūtu supernovā, un lielākā daļa veido neitronu zvaigznes. Apmēram puse no sistēmām, kas veido bināras (bināras) sistēmas, tomēr satur salīdzināmas masas zvaigznes. Citiem vārdiem sakot, lielākā daļa no 400 miljardiem zvaigžņu, kas izveidojušās mūsu galaktikā, nekad nekļūs par melnajiem caurumiem.
Mūsdienu spektrālās klasifikācijas sistēma Morgan-Keenan sistēmām ar katras zvaigznes klases temperatūras diapazonu Kelvinā. Mūsdienās lielākā daļa (75%) zvaigžņu ir M klases zvaigznes, no kurām tikai 1 no 800 ir pietiekami masīvas, lai nokļūtu supernovā
Bet tas ir labi, jo daži no viņiem to darīs. Vēl svarīgāk ir tas, ka daudzi jau ir kļuvuši, kaut arī tālā pagātnē. Kad veidojas zvaigznes, jūs iegūstat masu sadalījumu: jūs saņemat dažas masīvas zvaigznes, nedaudz lielākas par vidējām, un daudz mazas masas. Tik daudz, ka mazas masas M klases zvaigznes (sarkanie punduri), kuru masa ir tikai 8–40% no Saules masas, veido trīs ceturtdaļas zvaigžņu mūsu apkārtnē. Jaunās zvaigžņu kopās nebūs daudz masīvu zvaigžņu, kas var kļūt par supernovu. Bet agrāk zvaigžņu veidojošie reģioni bija daudz lielāki un masveidā bagātāki nekā Piena ceļš šodien.
Vietējās grupas lielākajā zvaigžņu bērnudārzā - 30 Doradus Tarantulas miglājā - atrodas masīvākās zvaigznes, kas zināmas cilvēkiem. Simtiem no tiem (tuvāko miljonu gadu laikā) kļūs par melnajiem caurumiem
Virs jums redzams 30 Doradus, lielākais zvaigžņu veidojošais reģions vietējā grupā, ar 400 000 saules masu. Šajā reģionā ir tūkstošiem karstu, ļoti zilu zvaigžņu, no kurām simtiem nonāks supernova. 10-30% no tiem pārvērtīsies par melnajiem caurumiem, bet pārējie kļūs par neitronu zvaigznēm. Pieņemot, ka:
- agrāk mūsu galaktikā bija daudz šādu reģionu;
- lielākie zvaigžņu veidojošie reģioni ir koncentrēti gar spirālveida ieročiem un virzienā uz galaktikas centru;
- tur, kur šodien redzam pulsārus (neitronu zvaigžņu paliekas) un gamma staru avotus, būs melnie caurumi, - mēs varam izveidot karti un uz tās parādīt, kur būs melnie caurumi.
NASA Fermi satelīts ar augstu izšķirtspēju ir attēlojis Visuma augstās enerģijas. Melnie caurumi galaktikā kartē, visticamāk, sekos izmešanai ar nelielu izkliedi un tos atrisinās miljoniem atsevišķu avotu.
Šī ir Fermi gamma staru avotu karte debesīs. Tas ir līdzīgs mūsu galaktikas zvaigžņu kartei, izņemot to, ka tas spēcīgi izceļ galaktikas disku. Vecāki avoti ir noplicināti gamma staros, tāpēc tie ir salīdzinoši jauni punktveida avoti.
Salīdzinot ar šo karti, melnā cauruma karte būs:
- vairāk koncentrēts galaktikas centrā;
- nedaudz izplūdušāks platumā;
- ietver galaktisko izliekumu;
- sastāv no 100 miljoniem objektu, plus vai mīnus kļūda.
Ja izveidojat Fermi kartes (virs) un COBE galaktikas kartes (zemāk) hibrīdu, jūs varat iegūt kvantitatīvu priekšstatu par melno caurumu atrašanās vietu galaktikā.
Galaxy redzams infrasarkanajā starojumā no COBE. Lai gan šajā kartē ir redzamas zvaigznes, melnie caurumi sekos līdzīgam sadalījumam, kaut arī tie būs vairāk saspiesti galaktikas plaknē un vairāk centralizēti uz izliekuma pusi.
Melnās bedrītes ir reālas, izplatītas, un lielāko daļu no tām mūsdienās ir ārkārtīgi grūti atklāt. Visums pastāv jau ļoti ilgu laiku, un, lai arī mēs redzam milzīgu zvaigžņu skaitu, lielākā daļa masīvāko zvaigžņu - 95% vai vairāk - jau sen ir mirušas. Kas viņi ir kļuvuši? Apmēram ceturtā daļa no tām ir kļuvušas par melnajiem caurumiem, miljoniem joprojām slēpjas.
Melnais caurums, kas ir miljardiem reižu masīvāks nekā Saule, M87 centrā baro rentgena strūklu, taču šajā galaktikā ir jābūt miljardiem citu melno caurumu. To blīvums tiks koncentrēts galaktikas centrā
Elipsveida galaktikas virpuļo melnos caurumus eliptiskajā barā, kas plūst ap galaktikas centru, līdzīgi kā mēs redzam zvaigznes. Daudzi melnie caurumi galu galā migrē uz gravitācijas aku galaktikas centrā - tieši tāpēc supermasīvie melnie caurumi kļūst supermasīvi. Bet mēs vēl neredzam kopainu. Un mēs to neredzēsim, kamēr neiemācīsimies kvalitatīvi vizualizēt melnos caurumus.
Ja nav tiešas vizualizācijas, zinātne mums to tikai dod un stāsta kaut ko ievērojamu: katrai tūkstoš zvaigznei, ko mēs šodien redzam, ir aptuveni viena melnā caurums. Nav slikta statistika par pilnīgi neredzamiem objektiem, jums jāpiekrīt.
ILYA KHEL