Kolmandat korda ajaloos oleme otseselt avastanud mustade aukude vaieldamatu allkirja: nende ühinemisest tulenevad gravitatsioonilained. Koos sellega, mida me juba teame galaktikakeskuse lähedal asuvate täheorbiitide kohta, teiste galaktikate röntgen- ja raadiovaatluste, gaasi liikumiskiiruse mõõtmise kohta, on võimatu eitada mustade aukude olemasolu. Kuid kas meil on nendest ja muudest allikatest piisavalt teavet, et öelda, kui palju musti auke on universumis tegelikult ja kuidas neid levitatakse?
Tõepoolest, mitu musta auku on universumis võrreldes nähtavate tähtedega?
Esimene asi, mida soovite teha, on liikuda otsese vaatluse juurde. Ja see on suurepärane algus.
7 miljoni sekundi pikkune kokkupuutekaart, autor Chandra Deep Field-South. Selles piirkonnas on sadu supermassiivseid musti auke
Meie senine parim röntgeniteleskoop on Chandra röntgenkiirte observatoorium. Oma asukoha järgi Maa orbiidil suudab ta tuvastada isegi üksikuid footoneid kaugetest röntgenikiirgusallikatest. Luues taeva olulistest osadest sügavaid pilte, saab see otseses mõttes tuvastada sadu röntgenikiirgusallikaid, millest igaüks vastab kaugele galaktikale, mis asub väljaspool meie oma. Vastuvõetud footonite energiaspektri põhjal näeme iga galaktika keskel ülimassiivseid musti auke.
Kuid nii uskumatu kui see avastus ka pole, on maailmas palju rohkem musti auke kui üks galaktika kohta. Muidugi on igas galaktikas keskmiselt vähemalt miljoneid või miljardeid päikesemassi, kuid me ei näe kõike.
Tuntud binaarsete mustade aukude süsteemide massid, sealhulgas kolm kontrollitud ühinemist ja üks ühinemiskandidaat LIGO-st
Reklaamvideo:
LIGO teatas hiljuti kolmandast otsesest binaarsete mustade aukude ühinemisest pärineva võimsa gravitatsioonisignaali tuvastamisest, mis kinnitab selliste süsteemide levimust kogu universumis. Numbrilise hinnangu saamiseks pole meil veel piisavalt statistikat, kuna veakünnis on liiga kõrge. Kuid kui võtta aluseks praegune LIGO künnis ja asjaolu, et see leiab signaali (keskmiselt) iga kahe kuu tagant, võime julgelt öelda, et igas Linnutee suuruses galaktikas, mida saame uurida, on selliseid kümmekond süsteemid.
Täiustatud LIGO vahemik ja selle võime tuvastada ühinevaid musti auke
Pealegi näitavad meie röntgenandmed, et seal on palju väiksema massiga binaarseid musti auke; võib-olla oluliselt rohkem kui massiivsed, mida LIGO suudab leida. Ja sellega ei arvestata isegi mustade aukude olemasolule viitavaid andmeid, mis jäikade kahendsüsteemide hulka ei kuulu, ja neid peab olema enamus. Kui meie galaktikas on kümneid keskmise ja suure massiga musti auke (10–100 päikesemassi), peab binaarseid mustasid auke olema sadu (3–15 päikesemassi) ja tähemassist eraldatud (mittebinaarseid) musti auke.
Rõhk on siin "vähemalt".
Sest musti auke on nii neetult raske leida. Siiani võime näha ainult kõige aktiivsemaid, massiivsemaid ja silmapaistvamaid. Spiraalselt ja ühinevad mustad augud on suured, kuid sellised konfiguratsioonid peaksid olema kosmoloogiliselt haruldased. Need, mida Chandra on näinud, on kõige massilisemad, aktiivsemad ja kõik, kuid enamik musti auke ei ole koletised miljonite miljardite päikesemasside hulgas ja enamik suuri musti auke on praegu passiivsed. Vaatleme vaid väikest osa mustadest aukudest ja see on vaatamist vaadatavast suursugusest hoolimata mõistmist väärt.
See, mida me tajume gammakiirguse purskena, võib juhtuda neutronitähtede liitmisel, mis väljutavad ainet universumisse ja loovad kõige raskemad teadaolevad elemendid, kuid loovad lõpuks ka musta augu.
Ja ometi on meil võimalus saada mustade aukude arvu ja leviku kvalitatiivne hinnang: me teame, kuidas need tekivad. Me teame, kuidas neid teha noortest ja massiivsetest tähtedest, mis lähevad supernoovaks, ühinevatest neutronitähtedest ja otseses varingus. Ja kuigi musta augu loomise optilised allkirjad on äärmiselt mitmetähenduslikud, oleme kogu universumi ajaloo jooksul näinud piisavalt tähti, nende surma, katastroofilisi sündmusi ja tähtede moodustumist, et oleks võimalik leida täpselt neid numbreid, mida otsime.
Massiivsest tähest sündinud supernoova jäänused jätavad maha variseva objekti: kas musta augu või neutronitähe, millest teatud tingimustel võib hiljem tekkida must auk
Nendel kolmel mustade aukude loomise viisil on kõik juured, kui järgite neid kogu aeg, tähtede moodustumise tohututesse piirkondadesse. Et saada:
- Supernova, vajate tähte, mille mass on 8–10 korda suurem kui Päikese massil. Tähed, mis on suuremad kui 20–40 päikesemassi, annavad teile musta augu; väiksemad tähed - neutrontäht.
- Mustasse auku sulanduv neutronitäht vajab mustaks aukuks kas kahte neutronstaari, kes tantsivad spiraalides või põrkavad kokku, või neutronitähte, mis imeb kaasstaarilt massi välja kuni teatud piirini (umbes 2,5–3 päikesemassi).
- Musta augu otsene kokkuvarisemine, vajate ühes kohas piisavalt materjali, et moodustada Päikesest 25 korda massiivsem täht, ja teatud tingimusi, et täpselt saada must auk (mitte supernoova).
Hubble'i fotodel on Päikesest 25 korda massiivsem täht, mis lihtsalt kadus ilma supernoova või muu seletuseta. Otsene kokkuvarisemine on ainus võimalik seletus
Meie läheduses saame mõõta kõigist moodustuvatest tähtedest, kui paljudel neist on õige mass, et potentsiaalselt saada must auk. Leiame, et ainult 0,1–0,2% kõigist läheduses asuvatest tähtedest on supernoova saamiseks piisav mass, kusjuures valdav enamus moodustab neutrontähti. Ligikaudu pooled süsteemid, mis moodustavad binaarse (binaarse) süsteemi, sisaldavad siiski võrreldava massiga tähti. Teisisõnu, enamus meie galaktikas tekkinud 400 miljardist tähest ei muutu kunagi mustadeks aukudeks.
Kaasaegne spektraalne klassifitseerimissüsteem Morgan-Keenani süsteemidele, kus iga täheklasside temperatuurivahemik on Kelvinis. Valdav enamus (75%) tähtedest on tänapäeval M-klassi tähed, neist ainult 1 800-st on piisavalt massiivne, et minna supernoovaks
Kuid see on okei, sest mõned neist teevad seda. Veelgi olulisem on see, et paljud on juba muutunud, kuigi kauges minevikus. Tähtede tekkimisel saate massijaotuse: saate mõned massiivsed tähed, keskmisest veidi suuremad ja palju väikese massiga tähti. Nii palju, et madala massiga M-klassi tähed (punased kääbused), mille mass moodustab vaid 8–40% päikesemassist, moodustavad kolm neljandikku meie läheduses asuvatest tähtedest. Uutel täheparvedel ei ole palju massiivseid tähti, mis võivad minna supernoovaks. Kuid varem olid tähte moodustavad piirkonnad palju suuremad ja massirikkamad kui Linnutee praegu.
Kohaliku rühma suurim tähetuba, 30 Doradust Tarantula udus, sisaldab kõige massilisemaid tähti, mis inimesele teada on. Neist sajad (järgmise paari miljoni aasta jooksul) muutuvad mustadeks aukudeks
Ülal näete 30 Doradust, mis on kohaliku rühma suurim tähtkujunduspiirkond ja mille mass on 400 000 päikest. Selles piirkonnas on tuhandeid kuumi väga siniseid tähti, millest sajad saavad supernoova. 10-30% neist muutub mustadeks aukudeks ja ülejäänud saavad neutronitähtedeks. Eeldades et:
- selliseid galaktikaid oli minevikus palju;
- suurimad tähte moodustavad piirkonnad on koondunud mööda spiraalharusid ja galaktilise keskme suunas;
- seal, kus täna näeme pulsareid (neutrontähtede jäänuseid) ja gammakiirte allikaid, on mustad augud, - saame teha kaardi ja näidata sellel, kuhu jäävad mustad augud.
NASA satelliit Fermi on kaardistanud universumi kõrge energia kõrge eraldusvõimega. Kaardil oleva galaktika mustad augud järgivad tõenäoliselt väikeseid hajumisväljaheiteid ja neid lahendavad miljonid eraldi allikad.
See on Fermi kaart gammakiirte allikatest taevas. See sarnaneb meie galaktika tähekaardiga, välja arvatud see, et see tõstab galaktilist ketast tugevalt esile. Vanemad allikad on gammakiirtes ammendunud, seega on need suhteliselt uued punktallikad.
Selle kaardiga võrreldes on musta augu kaart järgmine:
- rohkem kontsentreeritud galaktikakeskusesse;
- veidi hägusem laiuses;
- sisaldama galaktilist kühmu;
- koosnevad 100 miljonist objektist, pluss või miinus viga.
Kui loote Fermi kaardi (ülal) ja COBE galaktika kaardi (allpool) hübriidi, saate kvantitatiivse pildi mustade aukude asukohast galaktikas.
COBE infrapuna abil nähtav Galaxy. Kuigi sellel kaardil on tähed, järgivad mustad augud sarnast jaotust, ehkki galaktika tasapinnas on need rohkem kokku surutud ja kühmu suunas tsentraliseeritumad.
Mustad augud on tõelised, levinud ja valdavat enamust neist on tänapäeval äärmiselt raske avastada. Universum on olnud väga pikka aega ja kuigi me näeme tohutut arvu tähti, on enamik kõige massilisemaid tähti - 95% või rohkem - juba ammu surnud. Mis neist on saanud? Ligikaudu veerand neist on muutunud mustadeks aukudeks, miljonid varjavad end endiselt.
Päikesest miljardeid kordi massiivsem must auk toidab röntgenkiiret M87 keskmes, kuid selles galaktikas peab olema miljardeid muid musti auke. Nende tihedus koondub galaktikasse
Elliptilised galaktikad keerutavad mustad augud elliptiliseks sülemiks, mis sülgab ümber galaktikakeskuse, umbes nagu tähed, mida näeme. Paljud mustad augud rändavad lõpuks galaktika keskosas asuvasse gravitatsioonikaevu - sellepärast muutuvad supermassiivsed mustad augud ülimassiivseteks. Kuid tervikpilti me veel ei näe. Ja me ei näe seda enne, kui õpime mustade aukude kvalitatiivset visualiseerimist.
Otsese visualiseerimise puudumisel annab teadus meile seda ainult ja ütleb midagi tähelepanuväärset: iga tuhande tähe kohta, mida täna näeme, on umbes üks must auk. Pole täiesti halb statistika täiesti nähtamatute objektide kohta, peate nõustuma.
ILYA KHEL
