Po treći put u povijesti izravno smo otkrili neporeciv potpis crnih rupa: gravitacijski valovi stvoreni njihovim spajanjem. U kombinaciji s onim što već znamo o zvjezdanim orbitama u blizini galaktičkog središta, rentgenskim i radio promatranjima drugih galaksija, mjerenjima brzine kretanja plina, nemoguće je poreći postojanje crnih rupa. No, imamo li dovoljno podataka iz ovih i drugih izvora koji nam govore koliko crnih rupa postoji u svemiru i kako su raspoređene?
Doista, koliko crnih rupa postoji u Svemiru u usporedbi s vidljivim zvijezdama?
Prvo što biste željeli učiniti je prijeći na izravno promatranje. I ovo je sjajan početak.
Karta izlaganja od 7 milijuna sekundi autora Chandra Deep Field-South. Postoje stotine supermasivnih crnih rupa u ovoj regiji
Naš najbolji rendgenski teleskop do danas je X-ray opservatorij Chandra. Iz svog položaja u Zemljinoj orbiti može prepoznati čak i pojedinačne fotone iz udaljenih izvora X-zraka. Stvarajući duboke slike značajnih dijelova neba, može identificirati doslovno stotine izvora X-zraka, od kojih svaki odgovara udaljenoj galaksiji izvan naše. Na temelju energetskog spektra primljenih fotona, možemo vidjeti supermasivne crne rupe u središtu svake galaksije.
No koliko god je ovo otkriće nevjerojatno, na svijetu postoji mnogo više crnih rupa nego po jednoj galaksiji. Naravno, u svakoj galaksiji u prosjeku postoje barem milijuni ili milijarde Sunčevih masa, ali ne vidimo sve.
Masa poznatih binarnih sustava crnih rupa, uključujući tri provjerena spajanja i jednog kandidata za spajanje iz LIGO-a
Promotivni video:
LIGO je nedavno najavio svoje treće izravno otkrivanje snažnog gravitacijskog signala iz spajanja binarnih crnih rupa, potvrđujući rasprostranjenost takvih sustava u svemiru. Još nemamo dovoljno statistika da bismo dobili numeričku procjenu jer je prag pogreške previsok. Ali ako za osnovu uzmemo trenutni prag LIGO-a i činjenicu da on pronalazi signal svaka dva mjeseca (u prosjeku), sigurno je reći da u svakoj galaksiji veličine Mliječne staze koju možemo sondirati postoji barem desetak takvih sustavima.
Napredni LIGO asortiman i njegova sposobnost otkrivanja spajanja crnih rupa
Štoviše, naši rendgenski podaci pokazuju da postoji mnogo binarnih crnih rupa s manjom masom; možda znatno više od onih masivnih koje LIGO može pronaći. A to čak ni ne uzima u obzir podatke koji ukazuju na postojanje crnih rupa, koje nisu uključene u krute binarne sustave, a njih mora biti većina. Ako naša galaksija ima desetke crnih rupa srednje i velike mase (10-100 Sunčevih masa), binarnih crnih rupa mora biti na stotine (3-15 Sunčevih masa) i tisuća izoliranih (nebinarnih) crnih rupa zvjezdane mase.
Ovdje je naglasak na "barem".
Jer crne rupe je tako vraški teško pronaći. Do sada možemo vidjeti samo najaktivnije, najmasovnije i najistaknutije. Crne rupe koje se spiralno spajaju su sjajne, ali takve bi konfiguracije trebale biti kozmološki rijetke. One koje je Chandra vidjela su najmasovnije, najaktivnije i sve, ali većina crnih rupa nisu čudovišta u milijunima, milijardama sunčevih masa, a većina velikih crnih rupa trenutno je neaktivna. Promatramo samo mali dio crnih rupa, i to je vrijedno razumijevanja, unatoč svoj veličanstvenosti promatranog.
Ono što doživljavamo kao rafalno gama zračenje može nastati spajanjem neutronskih zvijezda koje izbacuju tvar u svemir i stvaraju najteže poznate elemente, ali na kraju stvaraju i crnu rupu.
Pa ipak, imamo način da dobijemo kvalitativnu procjenu broja i raspodjele crnih rupa: znamo kako nastaju. Znamo ih napraviti od mladih i masivnih zvijezda koje idu u supernovu, od neutronskih zvijezda koje se spajaju i u izravnom kolapsu. I premda su optički potpisi stvaranja crne rupe krajnje dvosmisleni, tijekom povijesti svemira vidjeli smo dovoljno zvijezda, njihovih smrti, katastrofalnih događaja i formiranja zvijezda da bismo mogli pronaći točno one brojeve koje tražimo.
Ostaci supernove rođene iz masivne zvijezde ostavljaju za sobom urušeni objekt: ili crnu rupu ili neutronsku zvijezdu iz koje se crna rupa može naknadno stvoriti pod određenim uvjetima
Sva ova tri načina stvaranja crnih rupa vuku korijen, ako ih slijedite sve do, do masivnih područja stvaranja zvijezda. Dobiti:
- Supernova, trebaš zvijezdu koja će biti 8-10 puta veća od mase Sunca. Zvijezde veće od 20-40 solarnih masa pružit će vam crnu rupu; manje zvijezde - neutronska zvijezda.
- Neutronskoj zvijezdi koja se stapa u crnu rupu trebaju ili dvije neutronske zvijezde koje plešu u spiralama ili se sudaraju, ili neutronska zvijezda koja isisava masu iz prateće zvijezde do određene granice (oko 2,5-3 Sunčeve mase) da postane crna rupa.
- Izravno kolaps crne rupe, trebate dovoljno materijala na jednom mjestu da biste stvorili zvijezdu 25 puta masivniju od Sunca i određene uvjete da biste točno dobili crnu rupu (ne supernovu).
Fotografije s Hubblea prikazuju masivnu zvijezdu 25 puta masivniju od Sunca, koja je jednostavno nestala bez supernove ili drugog objašnjenja. Izravno urušavanje bit će jedino moguće objašnjenje
U našoj blizini možemo izmjeriti od svih zvijezda koje nastaju koliko ih ima točnu masu da potencijalno postane crna rupa. Otkrivamo da samo 0,1-0,2% svih obližnjih zvijezda ima dovoljno mase da ide supernova, pri čemu velika većina stvara neutronske zvijezde. Otprilike polovica sustava koji tvore binarne (binarne) sustave, međutim, uključuju zvijezde usporedivih masa. Drugim riječima, većina od 400 milijardi zvijezda koje su nastale u našoj galaksiji nikada neće postati crne rupe.
Suvremeni sustav spektralne klasifikacije za Morgan-Keenanove sustave s temperaturnim rasponom svake klase zvijezda u Kelvinu. Velika većina (75%) zvijezda danas su zvijezde M klase, od kojih je samo 1 od 800 dovoljno masivno da postane supernova
Ali to je u redu, jer neki od njih hoće. Još važnije, mnogi su to već postali, iako u dalekoj prošlosti. Kad zvijezde nastanu, dobit ćete raspodjelu mase: dobit ćete nekoliko masivnih zvijezda, malo većih od prosječnih, i puno onih malene mase. Toliko da zvijezde M-klase male mase (crveni patuljci) s masom od samo 8-40% Sunčeve mase čine tri četvrtine zvijezda u našoj blizini. Nove nakupine zvijezda neće imati puno masivnih zvijezda koje mogu ići u supernovu. Ali u prošlosti su regije koje su stvarale zvijezde bile puno veće i bogatije masom nego što je to danas Mliječni put.
Najveći zvjezdani vrtić u lokalnoj skupini, 30 Doradus u maglici Tarantula, sadrži najmasivnije zvijezde koje je čovjeku poznato. Stotine od njih (u sljedećih nekoliko milijuna godina) postat će crne rupe
Iznad vidite 30 Doradusa, najveću regiju koja stvara zvijezde u lokalnoj skupini, s masom od 400 000 sunca. U ovoj regiji postoje tisuće vrućih, vrlo plavih zvijezda, od kojih će stotine postati supernove. 10-30% njih pretvorit će se u crne rupe, a ostatak će postati neutronske zvijezde. Pod pretpostavkom da:
- u prošlosti je u našoj galaksiji bilo mnogo takvih regija;
- najveća područja koja oblikuju zvijezde koncentrirana su duž spiralnih krakova i prema galaktičkom središtu;
- tamo gdje danas vidimo pulsare (ostatke neutronskih zvijezda) i izvore gama zraka, bit će crnih rupa, - možemo napraviti kartu i na njoj pokazati gdje će biti crne rupe.
NASA-in satelit Fermi mapirao je visoke energije svemira u visokoj rezoluciji. Crne rupe u galaksiji na karti vjerojatno će slijediti izbacivanja s malim raspršenjem i riješiti ih milijuni zasebnih izvora.
Ovo je Fermijeva karta izvora gama zraka na nebu. Slična je zvjezdanoj karti naše galaksije, samo što snažno ističe galaktički disk. Stariji izvori iscrpljeni su gama zrakama, pa su relativno novi točkasti izvori.
U usporedbi s ovom mapom, karta crne rupe bit će:
- koncentriraniji u galaktičkom središtu;
- nešto više zamagljene širine;
- uključuju galaktičku izbočinu;
- sastoje se od 100 milijuna objekata, plus ili minus pogreške.
Ako stvorite hibrid karte Fermi (gore) i karte galaksije COBE (dolje), možete dobiti kvantitativnu sliku položaja crnih rupa u galaksiji.
Galaksija vidljiva u infracrvenom zračenju s COBE Iako ova karta prikazuje zvijezde, crne rupe slijedit će sličnu raspodjelu, iako komprimiranije u galaktičkoj ravnini i centraliziranije prema ispupčenju.
Crne rupe su stvarne, uobičajene i veliku je većinu danas izuzetno teško otkriti. Svemir postoji vrlo dugo, i premda vidimo ogroman broj zvijezda, većina najmasivnijih zvijezda - 95% ili više - već je odavno umrla. Što su postali? Otprilike četvrtina njih postali su crne rupe, milijuni se još uvijek skrivaju.
Crna rupa milijardama puta masivnija od Sunca hrani rendgenski mlaz u središtu M87, ali u ovoj galaksiji moraju postojati milijarde drugih crnih rupa. Njihova gustoća bit će koncentrirana u galaktičkom središtu
Eliptične galaksije kovitlaju se crnim rupama u eliptični roj koji se roji oko galaktičkog središta, slično poput zvijezda koje vidimo. Mnoge crne rupe na kraju migriraju u gravitaciju dobro u središtu galaksije - zbog čega supermasivne crne rupe postaju supermasivne. Ali još ne vidimo cijelu sliku. I nećemo vidjeti dok ne naučimo kako kvalitativno vizualizirati crne rupe.
U nedostatku izravne vizualizacije, znanost nam samo daje ovo i govori nam nešto izvanredno: na svakih tisuću zvijezda koje danas vidimo postoji otprilike jedna crna rupa. Nije loša statistika za potpuno nevidljive predmete, morate se složiti.
ILYA KHEL
