Сколько черных дыр во Вселенной?

Впервые астрономы создали оценку, основанную на данных, о том, сколько черных дыр находится в нашей Вселенной: их оказалось больше, чем кто-либо ожидал.

Заглянув внутрь шарового скопления NGC 6397, многие астрономы ожидали обнаружить черную дыру промежуточной массы. Вместо этого было обнаружено только скопление черных дыр меньшей массы, как показано на рисунке этого художника. Астрономы, наконец, приближаются к функции масс и распределению черных дыр во Вселенной.

Черные дыры — удивительные объекты, но сколько их там, в космосе?

Изображение черной дыры, видимой с ребра относительно ее аккреционного диска в сильно искривленном пространстве-времени, демонстрирует значительную способность черной дыры искривлять пространство-время. Близко к горизонту событий, но все еще за его пределами, время течет совершенно иначе для наблюдателя в этом месте, чем для наблюдателя, находящегося далеко вне основного гравитационного поля. Количество черных дыр во Вселенной, а также функция масс черных дыр, все еще находятся под изучением.

Большинство черных дыр формируются, когда массивные звезды заканчивают свою жизнь.

Изображенное в тех же цветах, которые бы показала узкополосная фотография Хаббла, это изображение показывает NGC 6888: туманность Полумесяц. Также известная как Колдуэлл 27 и Шарплесс 105, это туманность излучения в созвездии Лебедя, сформированная быстрым звездным ветром от одной звезды Вольфа-Райе. Судьба этой звезды: сверхновая, белый карлик или прямое коллапсирование в черную дыру, пока не определена.

Эти звезды умирают в результате событий сверхновых коллапса ядра.

Анатомия очень массивной звезды на протяжении всей ее жизни, завершающаяся сверхновой типа II (коллапс ядра), когда ядро исчерпывает ядерное топливо. Последний этап синтеза обычно представляет собой горение кремния, в результате чего в ядре образуются железо и железоподобные элементы всего на короткое время перед взрывом сверхновой. Самые массивные сверхновые коллапса ядра обычно приводят к созданию черных дыр, в то время как менее массивные создают только нейтронные звезды.

Некоторые оставляют после себя нейтронные звезды, но более массивные оставляют остаточные черные дыры.

Типы сверхновых в зависимости от начальной массы звезды и начального содержания элементов, тяжелее гелия (металличность). Обратите внимание, что первые звезды занимают нижний ряд диаграммы, будучи свободными от металлов, и что черные области соответствуют прямым коллапсам в черные дыры. Что касается современных звезд, мы не уверены, одинаковы ли сверхновые, создающие нейтронные звезды, и те, что создают черные дыры, и существует ли в природе «промежуток по массе» между ними. Однако формирование черных дыр является вероятным конечным результатом почти во всех сценариях сверхновых.

Слияния нейтронных звезд дополняют популяцию черных дыр.

Мы знаем, что когда две нейтронные звезды сливаются, как показано здесь, они могут создавать струи гамма-всплесков, а также другие электромагнитные явления. Но, возможно, выше определенного порога массы образуется черная дыра, где две звезды сталкиваются на втором панели, а затем вся дополнительная материя и энергия поглощаются, без уходящего сигнала.

Иногда звезды также прямо коллапсируют: (вероятно) оставляя после себя черные дыры.

Фотографии в видимом/ближнем ИК-диапазоне от Хаббла показывают массивную звезду, массой примерно в 25 раз больше массы Солнца, которая исчезла из виду, без сверхновой или другого объяснения. Прямой коллапс является единственным разумным объяснением-кандидатом и одним из известных способов, помимо сверхновых или слияний нейтронных звезд, впервые образовать черную дыру.

Хотя мы количественно оценили формирование звезд на протяжении космической истории, доля черных дыр оставалась неопределенной.

Этот 20-летний временной ряд звезд вблизи центра нашей галактики получен ESO, опубликован в 2018 году. Обратите внимание, как разрешение и четкость деталей улучшаются к концу, все они вращаются вокруг (невидимой) центральной сверхмассивной черной дыры нашей галактики. Считается, что практически каждая крупная галактика, даже на ранних этапах, содержит сверхмассивную черную дыру, но только одна в центре Млечного Пути достаточно близка, чтобы видеть движения отдельных звезд вокруг нее и тем самым точно определить массу черной дыры. Фактическая плотность числа черных дыр во Вселенной и их плотность числа в зависимости от массы до сих пор оценена только приблизительно, с большими неопределенностями.

Однако все изменилось с началом эры гравитационно-волновой астрономии.

Этот вид с воздуха показывает основной научный центр детектора LIGO Livingston в Луизиане, с видом вдоль одного из его 4-километровых детекторных рукавов. В дополнение к LIGO Hanford на востоке Вашингтона, эти два детектора не только принесли нам наше первое обнаружение гравитационных волн, но и привели к обнаружению большего количества гравитационных волн, чем все остальные усилия вместе взятые.

LIGO и Virgo обнаружили множество черных дыр, предоставив нам наше первое квазиперепись.

Наиболее актуальная диаграмма, по состоянию на ноябрь 2021 года (после завершения третьего цикла данных LIGO, но до начала четвертого), всех наблюдаемых черных дыр и нейтронных звезд как с помощью электромагнитных волн, так и через гравитационные волны. Хотя в эту группу входят объекты, начиная чуть более чем с 1 солнечной массы, для самых легких нейтронных звезд, до объектов чуть более 100 солнечных масс, для послеслиянийных черных дыр, гравитационно-волновая астрономия в настоящее время чувствительна только к очень узкому набору объектов. Ближайшие черные дыры до сих пор были найдены как рентгеновские двойные системы, до открытия в ноябре 2022 года Gaia BH1. Граница массы между нейтронными звездами и черными дырами все еще определяется.

Правильная оценка слияний черных дыр гарантирует, что мы их не пересчитываем.

Численные симуляции гравитационных волн, испускаемых во время вдохновения и слияния двух черных дыр. Цветные контуры вокруг каждой черной дыры представляют амплитуду гравитационного излучения; синие линии представляют орбиты черных дыр, а зеленые стрелки — их вращение. Процесс ускорения массы в области искривленного пространства-времени всегда приводит к излучению гравитационных волн, даже для системы Земля-Солнце.

Эти данные также подтверждают оценки плотности числа черных дыр (по массе) во Вселенной.

Дальность действия Advanced LIGO для слияний черных дыр (фиолетовый) значительно больше, чем для слияний нейтронных звезд (желтый), благодаря зависимости амплитуды сигнала от массы. Разница в дальности примерно в 10 раз соответствует разнице в объеме примерно в 1000 раз, так что, несмотря на то, что плотность числа черных дыр с низкой массой значительно превышает плотность числа более массивных, LIGO и Virgo более чувствительны на большие расстояния для систем с более высокой массой.

Наибольшие неопределенности связаны с наименьшими массами черных дыр: 10 солнечных масс и меньше.

Популяции черных дыр, найденные только через слияния гравитационных волн (синий) и рентгеновские излучения (малиновый). Как видите, нет заметного разрыва или пустоты нигде выше 20 солнечных масс, но ниже 5 солнечных масс наблюдается нехватка источников. Это помогает нам понять, что слияния нейтронной звезды и черной дыры вряд ли создадут самые тяжелые элементы, но слияния нейтронных звезд могут это сделать и также могут привести к образованию черной дыры. Популяция черных дыр и/или нейтронных звезд между примерно 2 и 5 солнечными массами, на самом нижнем конце диапазона масс черных дыр, является местом наибольших неопределенностей

Собрав всю эту информацию вместе, астрофизики оценили космическую функцию масс черных дыр.

Этот график показывает оцененную функцию масс черных дыр в различные космические эпохи (разные цвета) в зависимости от массы этих черных дыр (ось x). Числа, полученные интегрированием за все космическое время и всю наблюдаемую Вселенную, приводят к оценке в 40 квинтиллионов черных дыр в нашей Вселенной.

В итоге они пришли к выводу, что в современной Вселенной существует 40 квинтиллионов (4 × 10¹⁹) черных дыр.

Это изображение показывает ядро шарового скопления Терзан 5, всего в 22 000 световых годах от нас в нашем собственном Млечном Пути, с широким разнообразием цветов и масс, присущих звездам внутри. Хотя многие из этих звезд сгорят примерно через следующие 10–20 миллиардов лет, некоторые будут существовать гораздо, гораздо дольше. Недавнее исследование предполагает, что, возможно, до 1–2% всех звезд приведут к формированию черных дыр: гораздо больше, чем предполагалось ранее.

Это равносильно тому, что 1–2% всех звезд в конечном итоге образуют черные дыры: больше, чем все предыдущие оценки.

Общая плотность массы черных дыр во Вселенной, данная синей сплошной линией, оценивается примерно в 10% от плотности звездной массы во Вселенной. Хотя общее количество черных дыр во многом определяется неопределенностью на нижнем конце спектра масс, общая плотность массы доминируется черными дырами массой 20–50 солнечных масс.

Если это подтвердится, это означает, что черные дыры составляют 0,04% космического энергетического бюджета.

Этот вид примерно на 0,15 квадратных градусов пространства показывает множество регионов с большим количеством галактик, сгруппированных вместе в скопления и филаменты, с большими пустотами, разделяющими их. Каждая точка света — это не галактика, а сверхмассивная черная дыра, показывающая, насколько распространены эти космические объекты. Оценивая функцию масс черных дыр на протяжении космического времени, исследователи предлагают предположительное решение вопроса о «семенах сверхмассивных черных дыр», предполагая, что традиционная астрофизика могла породить объекты, которые мы наблюдаем во все космические времена.