Trečią kartą istorijoje mes tiesiogiai atradome nepaneigiamą juodųjų skylių parašą: gravitacines bangas iš jų susijungimo. Kartu su tuo, ką jau žinome apie žvaigždžių orbitas šalia galaktikos centro, kitų galaktikų rentgeno ir radijo stebėjimus, dujų judėjimo greičio matavimus, neįmanoma paneigti juodųjų skylių egzistavimo. Bet ar turėsime pakankamai informacijos iš šių ir kitų šaltinių, kad galėtume pasakyti, kiek visatoje yra juodųjų skylių ir kaip jos pasiskirstę?
Iš tiesų, kiek visatoje yra juodųjų skylių, palyginti su matomomis žvaigždėmis?
Pirmas dalykas, kurį norėtumėte padaryti, yra pereiti prie tiesioginio stebėjimo. Tai puiki pradžia.
7 milijonų sekundžių ekspozicijos žemėlapis, kurį sukūrė Chandra Deep Field-South. Šiame regione yra šimtai supermasyvių juodųjų skylių
Geriausias iki šiol mūsų rentgeno teleskopas yra Chandros rentgeno observatorija. Iš savo padėties Žemės orbitoje jis gali nustatyti net pavienius fotonus iš tolimų rentgeno spindulių šaltinių. Sukurdamas gilius reikšmingų dangaus dalių vaizdus, jis gali pažodžiui identifikuoti šimtus rentgeno spindulių šaltinių, kurių kiekvienas atitinka tolimą galaktiką už mūsų. Remiantis gautų fotonų energijos spektru, kiekvienos galaktikos centre galime pamatyti supermasyvias juodąsias skyles.
Kaip bebūtų neįtikėtina šis atradimas, pasaulyje yra daug daugiau juodųjų skylių nei viena galaktikoje. Žinoma, kiekvienoje galaktikoje vidutiniškai yra bent milijonai ar milijardai saulės masių, tačiau mes ne viską matome.
Žinomų dvejetainių juodųjų skylių sistemų masės, įskaitant tris patikrintus susijungimus ir vieną kandidatą į susijungimą iš LIGO
Reklaminis vaizdo įrašas:
LIGO neseniai paskelbė apie trečią tiesioginį galingo gravitacinio signalo aptikimą, susijungusį dvejetainėse juodosiose skylėse, patvirtindamas tokių sistemų paplitimą visatoje. Mes dar neturime pakankamai statistikos, kad gautume skaitinį įvertinimą, nes klaidų slenkstis yra per didelis. Bet jei imtume dabartinį LIGO slenkstį ir tai, kad jis suranda signalą kas du mėnesius (vidutiniškai), galime drąsiai sakyti, kad kiekvienoje Paukščių Tako dydžio galaktikoje, kurią galime ištirti, tokių yra bent keliolika sistemas.
Pažangus LIGO asortimentas ir jo galimybė aptikti susiliejusias juodąsias skyles
Be to, mūsų rentgeno duomenys rodo, kad yra daugybė dvejetainių juodųjų skylių su mažesne mase; galbūt žymiai daugiau nei masiniai, kuriuos gali rasti LIGO. Tai net neatsižvelgiama į duomenis, rodančius juodųjų skylių egzistavimą, kurios nėra įtrauktos į standžiąsias dvejetaines sistemas, ir jų turi būti dauguma. Jei mūsų galaktikoje yra dešimtys vidutinės ir didelės masės juodųjų skylių (10–100 saulės masių), turėtų būti šimtai (3–15 saulės masių) dvinarių juodųjų skylių ir tūkstančiai izoliuotų (nebinarinių) žvaigždžių masės skylių.
Čia akcentuojamas „bent“.
Nes taip velniškai sunku rasti juodąsias skyles. Kol kas galime pamatyti tik pačius aktyviausius, masiškiausius ir ryškiausius. Juodosios skylės, kurios sukasi spirale ir sujungiamos, yra puikios, tačiau tokios konfigūracijos turėtų būti kosmologiškai retos. Tos, kurias matė Chandra, yra pačios masiškiausios, aktyviausios ir visos, tačiau dauguma juodųjų skylių nėra monstrai milijonuose milijardų saulės masių, o dauguma didžiųjų juodųjų skylių šiuo metu neveikia. Mes stebime tik nedidelę dalį juodųjų skylių, ir tai verta suprasti, nepaisant viso stebimo didingumo.
Tai, ką mes suvokiame kaip gama spinduliuotės pliūpsnį, gali atsirasti susijungus neutroninėms žvaigždėms, kurios išmeta materiją į visatą ir sukuria sunkiausius žinomus elementus, tačiau galiausiai sukuria juodąją skylę.
Ir vis dėlto turime būdą kokybiškai įvertinti juodųjų skylių skaičių ir pasiskirstymą: mes žinome, kaip jos susidaro. Mes žinome, kaip juos padaryti iš jaunų ir masyvių žvaigždžių, kurios tampa supernova, iš neutroninių žvaigždžių, kurios susilieja, ir iš tiesioginio žlugimo. Ir nors juodosios skylės sukūrimo optiniai parašai yra nepaprastai dviprasmiški, visatos Visatos istorijoje matėme pakankamai žvaigždžių, jų mirčių, katastrofiškų įvykių ir žvaigždžių susidarymo, kad galėtume rasti tiksliai tuos skaičius, kurių ieškome.
Iš masyvios žvaigždės gimę supernovos likučiai palieka griūvantį daiktą: arba juodąją skylę, arba neutroninę žvaigždę, iš kurios tam tikromis sąlygomis vėliau gali susidaryti juodoji skylė.
Šie trys juodųjų skylių kūrimo būdai turi savo šaknis, jei laikysitės jų iki galo, į didžiulius žvaigždžių formavimo regionus. Gauti:
- Supernova, jums reikia žvaigždės, kuri bus 8–10 kartų didesnė už Saulės masę. Didesnės nei 20–40 saulės masės žvaigždės suteiks jums juodąją skylę; mažesnės žvaigždės - neutroninė žvaigždė.
- Į juodąją skylę susiliejusiai neutronų žvaigždei reikia arba dviejų neutronų žvaigždžių, šokančių spirale arba susiduriančių, arba neutronų žvaigždei, išsiurbiančiai masę iš palydovo žvaigždės iki tam tikros ribos (apie 2,5–3 saulės masės), kad ji taptų juodąja skylute.
- Tiesioginis juodosios skylės griūtis, jums reikia pakankamai medžiagos vienoje vietoje, kad susidarytumėte 25 kartus masyvesnę žvaigždę nei Saulė, ir tam tikrų sąlygų, kad tiksliai gautumėte juodąją skylę (ne supernovą).
Hablo fotografijose matyti 25 kartus masyvesnė už Saulę masyvi žvaigždė, kuri tiesiog dingo be supernovos ar kitokio paaiškinimo. Tiesioginis žlugimas bus vienintelis galimas paaiškinimas
Netoliese galime iš visų besiformuojančių žvaigždžių išmatuoti, kiek jų turi teisingą masę, kad galėtų tapti juoda skylė. Mes nustatėme, kad tik 0,1–0,2% visų netoliese esančių žvaigždžių turi pakankamai masės pereiti supernovai, o didžioji dauguma sudaro neutronines žvaigždes. Maždaug pusė sistemų, kurios sudaro dvejetaines (dvejetaines) sistemas, yra panašios masės žvaigždės. Kitaip tariant, dauguma iš 400 milijardų žvaigždžių, susiformavusių mūsų galaktikoje, niekada netaps juodosiomis skylėmis.
Šiuolaikinė spektrinė Morgan-Keenan sistemų klasifikavimo sistema su kiekvienos žvaigždžių klasės temperatūros diapazonu Kelvine. Didžioji dauguma (75%) žvaigždžių šiandien yra M klasės žvaigždės, iš kurių tik 1 iš 800 yra pakankamai masyvios, kad taptų supernova
Bet tai gerai, nes kai kurie iš jų bus. Dar svarbiau, kad daugelis jau tapo, nors ir tolimoje praeityje. Kai susiformuoja žvaigždės, gausite masinį pasiskirstymą: gausite keletą masyvių žvaigždžių, šiek tiek didesnių už vidutines ir daug mažos masės žvaigždžių. Tiek daug, kad mažos masės M klasės žvaigždės (raudoni nykštukai), kurių masė tesiekia 8–40% saulės masės, sudaro tris ketvirtadalius žvaigždžių mūsų apylinkėse. Naujose žvaigždžių grupėse nebus daug masyvių žvaigždžių, kurios galėtų tapti supernova. Tačiau anksčiau žvaigždžių formavimo regionai buvo daug didesni ir turtingesni mase nei šiandien yra Paukščių takas.
Didžiausiame žvaigždžių darželyje vietinėje grupėje „30 Doradus Tarantulo ūko“yra masyviausios žvaigždės, kurias žino žmogus. Šimtai jų (per ateinančius kelis milijonus metų) taps juodosiomis skylėmis
Virš matote 30 Doradus, didžiausio žvaigždžių formavimo regiono vietinėje grupėje, kurio masė yra 400 000 saulių. Šiame regione yra tūkstančiai karštų, labai mėlynų žvaigždžių, iš kurių šimtai pateks į supernovą. 10–30% jų virs juodosiomis skylėmis, o likusi dalis taps neutroninėmis žvaigždėmis. Tariant, kad:
- praeityje mūsų galaktikoje buvo daug tokių regionų;
- didžiausi žvaigždžių formavimo regionai yra susitelkę palei spiralines rankas ir link galaktikos centro;
- ten, kur šiandien matome pulsarus (neutroninių žvaigždžių liekanas) ir gama spindulių šaltinius, bus juodųjų skylių, - galime pasidaryti žemėlapį ir jame parodyti, kur bus juodosios skylės.
NASA palydovas „Fermi“didelės raiškos pagalba pavaizdavo dideles visatos energijas. Juodosios skylės galaktikoje žemėlapyje greičiausiai įvykdys nedidelius sklaidos išmetimus ir jas išspręs milijonai atskirų šaltinių.
Tai Fermi gama spindulių šaltinių žemėlapis danguje. Jis panašus į mūsų galaktikos žvaigždžių žemėlapį, išskyrus tai, kad stipriai paryškina galaktikos diską. Senesni šaltiniai išseko gama spinduliuose, todėl jie yra palyginti nauji taškiniai šaltiniai.
Palyginti su šiuo žemėlapiu, juodosios skylės žemėlapis bus:
- labiau susitelkęs galaktikos centre;
- šiek tiek neryškesnis pločio;
- įtraukti galaktikos išsipūtimą;
- susideda iš 100 milijonų objektų, pridėjus arba atėmus klaidą.
Jei sukursite Fermi žemėlapio (viršuje) ir COBE galaktikos žemėlapio (žemiau) hibridą, galite gauti kiekybinį vaizdą apie juodųjų skylių vietą galaktikoje.
„Galaxy“matoma infraraudonaisiais spinduliais iš COBE. Nors šiame žemėlapyje rodomos žvaigždės, juodosios skylės pasiskirstys panašiai, nors ir labiau suspaustos galaktikos plokštumoje ir labiau centralizuotos link išsipūtimo.
Juodosios skylės yra tikros, įprastos, ir didžiąją jų dalį šiandien yra itin sunku aptikti. Visata egzistuoja labai ilgą laiką, ir nors mes matome didžiulį skaičių žvaigždžių, dauguma masyviausių žvaigždžių - 95% ar daugiau - jau seniai mirė. Kuo jie tapo? Maždaug ketvirtadalis jų tapo juodosiomis skylėmis, milijonai vis dar slepiasi.
Juodoji skylė, milijardus kartų masyvesnė už Saulę, maitina rentgeno spindulį M87 centre, tačiau šioje galaktikoje turi būti milijardai kitų juodųjų skylių. Jų tankis bus sutelktas galaktikos centre
Elipsinės galaktikos sukausto juodąsias skyles į elipsinį būrį, kuris spiečiasi aplink galaktikos centrą, panašiai kaip mūsų matomos žvaigždės. Daugelis juodųjų skylių galų gale migruoja į gravitacijos šulinį galaktikos centre - todėl supermasyvios juodosios skylės tampa supermasyvios. Bet kol kas nematome viso vaizdo. Ir nematysime, kol neišmoksime kokybiškai vizualizuoti juodųjų skylių.
Jei nėra tiesioginės vizualizacijos, mokslas mums tai tik duoda ir pasakoja ką nors nepaprasto: kiekvienai tūkstančiai žvaigždžių, kurias šiandien matome, yra maždaug viena juodoji skylė. Nebloga visiškai nematomų objektų statistika, turite sutikti.
ILYA KHEL