Untuk ketiga kalinya dalam sejarah, kami secara langsung menemui tanda hitam yang tidak dapat disangkal: gelombang graviti dari penggabungannya. Digabungkan dengan apa yang telah kita ketahui mengenai orbit bintang berhampiran pusat galaksi, sinar-X dan pemerhatian radio galaksi lain, pengukuran kelajuan pergerakan gas, mustahil untuk menafikan adanya lubang hitam. Tetapi adakah kita akan mempunyai cukup maklumat, dari sumber ini dan sumber lain, untuk memberitahu kita berapa banyak lubang hitam yang sebenarnya ada di Alam Semesta dan bagaimana ia disebarkan?
Betul, berapa banyak lubang hitam di Alam Semesta berbanding dengan bintang yang kelihatan?
Perkara pertama yang ingin anda lakukan ialah beralih ke pemerhatian langsung. Dan ini adalah permulaan yang baik.
Peta pendedahan 7 juta saat oleh Chandra Deep Field-South. Terdapat beratus-ratus lubang hitam supermasif di wilayah ini
Teleskop sinar-X terbaik kami setakat ini ialah Balai Cerap sinar-X Chandra. Dari kedudukannya di orbit Bumi, ia dapat mengenal pasti bahkan satu foton dari sumber sinar-X yang jauh. Dengan membuat gambar mendalam dari bahagian-bahagian langit yang signifikan, ia dapat mengenal pasti ratusan sumber sinar-X, yang masing-masing sesuai dengan galaksi yang jauh di luar kita. Berdasarkan spektrum tenaga foton yang diterima, kita melihat lubang hitam supermasif di pusat setiap galaksi.
Tetapi luar biasa seperti penemuan ini, ada lebih banyak lubang hitam di dunia daripada satu per galaksi. Sudah tentu, di setiap galaksi, rata-rata, terdapat sekurang-kurangnya berjuta-juta atau berbilion massa suria, tetapi kita tidak melihat semuanya.
Banyak sistem lubang hitam binari yang diketahui, termasuk tiga penggabungan yang disahkan dan satu calon penggabungan dari LIGO
Video promosi:
LIGO baru-baru ini mengumumkan pengesanan langsung ketiga dari isyarat graviti yang kuat dari penggabungan lubang hitam binari, yang mengesahkan berlakunya sistem sedemikian di seluruh alam semesta. Kami belum mempunyai statistik yang mencukupi untuk mendapatkan anggaran berangka kerana ambang ralat terlalu tinggi. Tetapi jika kita mengambil asas ambang LIGO semasa dan fakta bahawa ia mendapat isyarat setiap dua bulan (rata-rata), adalah selamat untuk mengatakan bahawa di setiap galaksi ukuran Bima Sakti yang dapat kita selidiki, sekurang-kurangnya ada selusin sistem.
Julat LIGO yang maju dan kemampuannya untuk mengesan penggabungan lubang hitam
Lebih-lebih lagi, data sinar-X kami menunjukkan bahawa terdapat banyak lubang hitam binari dengan jisim yang lebih rendah; mungkin jauh lebih banyak daripada yang dapat dijumpai LIGO. Dan ini bahkan tidak memperhitungkan data yang menunjukkan adanya lubang hitam, yang tidak termasuk dalam sistem binari yang kaku, dan mesti ada sebahagian besar daripadanya. Sekiranya galaksi kita mempunyai berpuluh-puluh lubang hitam berjisim sederhana dan tinggi (10-100 jisim suria), mesti ada beratus-ratus (3-15 jisim suria) lubang hitam binari dan beribu-ribu lubang hitam terpencil (bukan binari) jisim bintang.
Penekanan di sini adalah pada "sekurang-kurangnya".
Kerana lubang hitam sangat sukar dicari. Setakat ini, kita hanya dapat melihat yang paling aktif, paling besar dan paling menonjol. Lubang hitam yang berputar dan bersatu sangat bagus, tetapi konfigurasi seperti itu jarang berlaku secara kosmologi. Yang dilihat Chandra adalah yang paling besar, aktif dan semuanya, tetapi kebanyakan lubang hitam bukanlah raksasa dalam berjuta-juta, berjuta-juta jisim suria, dan kebanyakan lubang hitam besar pada masa ini tidak aktif. Kami memerhatikan hanya sebilangan kecil lubang hitam, dan ini perlu difahami, walaupun terdapat semua kehebatan yang diperhatikan.
Apa yang kita anggap sebagai ledakan radiasi gamma dapat terjadi dari penggabungan bintang-bintang neutron, yang mengeluarkan materi ke alam semesta dan menciptakan unsur-unsur yang paling berat diketahui, tetapi juga membuat lubang hitam pada akhirnya.
Namun kita mempunyai cara untuk mendapatkan anggaran kualitatif jumlah dan taburan lubang hitam: kita tahu bagaimana bentuknya. Kami tahu bagaimana membuatnya dari bintang muda dan besar yang menjadi supernova, dari bintang neutron yang bergabung, dan dalam proses keruntuhan langsung. Dan walaupun tanda tangan optik penciptaan lubang hitam sangat samar-samar, kita telah melihat bintang yang cukup banyak, kematiannya, peristiwa bencana dan pembentukan bintang sepanjang sejarah alam semesta untuk dapat menemui dengan tepat nombor yang kita cari.
Sisa-sisa supernova yang lahir dari bintang besar meninggalkan objek yang runtuh: sama ada lubang hitam atau bintang neutron, dari mana lubang hitam kemudian dapat terbentuk dalam keadaan tertentu
Ketiga-tiga cara membuat lubang hitam semuanya mempunyai akarnya, jika anda mengikutinya hingga ke kawasan pembentukan bintang secara besar-besaran. Untuk mendapatkan:
- Supernova, anda memerlukan bintang yang 8-10 kali jisim Matahari. Bintang yang lebih besar daripada 20-40 jisim suria akan memberi anda lubang hitam; bintang yang lebih kecil - bintang neutron.
- Bintang neutron yang bergabung ke dalam lubang hitam memerlukan dua bintang neutron yang menari dalam lingkaran atau bertabrakan, atau bintang neutron yang menghisap jisim keluar dari bintang pendamping hingga batas tertentu (kira-kira 2.5-3 jisim suria) untuk menjadi lubang hitam.
- Keruntuhan lubang hitam secara langsung, anda memerlukan cukup bahan di satu tempat untuk membentuk bintang 25 kali lebih besar daripada Matahari, dan keadaan tertentu untuk mendapatkan lubang hitam dengan tepat (bukan supernova).
Foto-foto Hubble menunjukkan bintang besar 25 kali lebih besar daripada Matahari, yang hilang begitu sahaja tanpa supernova atau penjelasan lain. Keruntuhan langsung akan menjadi satu-satunya penjelasan yang mungkin
Di sekitar kita, kita dapat mengukur, dari semua bintang yang terbentuk, berapa banyak dari mereka yang mempunyai jisim yang betul untuk berpotensi menjadi lubang hitam. Kami mendapati bahawa hanya 0.1-0.2% dari semua bintang yang berdekatan mempunyai jisim yang cukup untuk pergi ke supernova, dengan sebahagian besarnya membentuk bintang neutron. Kira-kira separuh daripada sistem yang membentuk sistem binari (binari), merangkumi bintang berjisim sebanding. Dengan kata lain, sebahagian besar dari 400 bilion bintang yang terbentuk di galaksi kita tidak akan menjadi lubang hitam.
Sistem klasifikasi spektrum moden untuk sistem Morgan-Keenan dengan julat suhu setiap kelas bintang di Kelvin. Sebilangan besar bintang (75%) hari ini adalah bintang kelas M, yang mana hanya 1 dari 800 yang cukup besar untuk pergi ke supernova
Tetapi tidak mengapa, kerana sebilangan daripada mereka akan melakukannya. Lebih penting lagi, banyak yang telah menjadi, walaupun pada masa lalu. Apabila bintang terbentuk, anda mendapat taburan jisim: anda mendapat beberapa bintang besar, sedikit lebih besar daripada bintang biasa, dan banyak bintang berjisim rendah. Sebilangan besar bintang kelas M berjisim rendah (kerdil merah) dengan jisim hanya 8-40% jisim suria membentuk tiga perempat bintang di sekitar kita. Kumpulan bintang baru tidak akan mempunyai banyak bintang besar yang boleh menjadi supernova. Tetapi pada masa lalu, wilayah-wilayah yang membentuk bintang jauh lebih besar dan kaya dengan massa daripada Bima Sakti sekarang.
Tapak semaian bintang terbesar dalam kumpulan tempatan, 30 Doradus di Tarantula Nebula, mengandungi bintang paling besar yang diketahui oleh manusia. Ratusan dari mereka (dalam beberapa juta tahun akan datang) akan menjadi lubang hitam
Di atas anda melihat 30 Doradus, wilayah pembentuk bintang terbesar dalam kumpulan tempatan, dengan jumlah berjumlah 400,000 matahari. Terdapat beribu-ribu bintang panas dan biru di rantau ini, di mana beratus-ratus akan menjadi supernova. 10-30% daripadanya akan berubah menjadi lubang hitam, dan selebihnya akan menjadi bintang neutron. Dengan andaian bahawa:
- terdapat banyak kawasan di galaksi kita pada masa lalu;
- kawasan pembentuk bintang terbesar tertumpu di sepanjang lengan lingkaran dan menuju ke pusat galaksi;
- di mana kita melihat pulsar (sisa bintang neutron) dan sumber sinar gamma hari ini, akan ada lubang hitam, - kita boleh membuat peta dan menunjukkan di mana lubang hitam akan berada.
Satelit Fermi NASA telah memetakan tenaga tinggi alam semesta dalam resolusi tinggi. Lubang hitam di galaksi pada peta cenderung mengikuti pelepasan dengan penyebaran kecil dan diselesaikan dengan berjuta-juta sumber yang berasingan.
Ini adalah peta sumber sinar gamma di langit Fermi. Ia serupa dengan peta bintang galaksi kita, kecuali ia sangat menonjolkan cakera galaksi. Sumber lama telah habis di sinar gamma, jadi sumber titik yang relatif baru.
Berbanding dengan peta ini, peta lubang hitam adalah:
- lebih tertumpu di pusat galaksi;
- Lebar sedikit lebih kabur;
- merangkumi bonjolan galaksi;
- terdiri daripada 100 juta objek, tambah atau tolak kesalahan.
Sekiranya anda membuat kacukan peta Fermi (di atas) dan peta galaksi COBE (di bawah), anda boleh mendapatkan gambaran kuantitatif lokasi lubang hitam di galaksi.
Galaksi kelihatan dalam inframerah dari COBE. Walaupun peta ini menunjukkan bintang, lubang hitam akan mengikuti taburan yang serupa, walaupun lebih mampat dalam bidang galaksi dan lebih berpusat ke arah tonjolan.
Lubang hitam adalah nyata, biasa, dan sebahagian besarnya sangat sukar dikesan hari ini. Alam semesta telah wujud sejak sekian lama, dan walaupun kita melihat sebilangan besar bintang, kebanyakan bintang paling besar - 95% atau lebih - telah lama meninggal dunia. Apa yang telah mereka buat? Kira-kira seperempat dari mereka telah menjadi lubang hitam, berjuta-juta masih bersembunyi.
Lubang hitam berbilion kali lebih besar daripada Matahari memberi jet sinar-X di pusat M87, tetapi mesti ada berbilion lubang hitam lain di galaksi ini. Ketumpatan mereka akan tertumpu di pusat galaksi
Galaksi elips berpusing ke lubang hitam menjadi kawanan elips yang mengelilingi pusat galaksi, seperti bintang-bintang yang kita lihat. Banyak lubang hitam akhirnya berpindah ke lubang graviti di pusat galaksi - sebab itulah lubang hitam supermasif menjadi supermasif. Tetapi kita belum melihat keseluruhan gambar. Dan kita tidak akan melihat sehingga kita belajar bagaimana membayangkan lubang hitam secara kualitatif.
Sekiranya tidak ada visualisasi langsung, sains hanya memberi kita ini dan memberitahu kita sesuatu yang luar biasa: untuk setiap seribu bintang yang kita lihat hari ini, terdapat kira-kira satu lubang hitam. Bukan statistik buruk untuk objek yang tidak dapat dilihat sepenuhnya, anda mesti bersetuju.
ILYA KHEL
