Zum dritten Mal in der Geschichte haben wir direkt die unbestreitbare Signatur von Schwarzen Löchern entdeckt: Gravitationswellen aus ihrer Fusion. In Kombination mit dem, was wir bereits über Sternbahnen in der Nähe des galaktischen Zentrums, Röntgen- und Funkbeobachtungen anderer Galaxien und Messungen der Geschwindigkeit der Gasbewegung wissen, ist es unmöglich, die Existenz von Schwarzen Löchern zu leugnen. Aber werden wir genug Informationen aus diesen und anderen Quellen haben, um uns zu sagen, wie viele Schwarze Löcher es wirklich im Universum gibt und wie sie verteilt sind?
Wie viele Schwarze Löcher gibt es im Universum im Vergleich zu sichtbaren Sternen?
Das erste, was Sie tun möchten, ist die direkte Beobachtung. Und das ist ein guter Anfang.
7 Millionen Sekunden Belichtungskarte von Chandra Deep Field-South. In dieser Region gibt es Hunderte von supermassiven Schwarzen Löchern
Unser bisher bestes Röntgenteleskop ist das Chandra-Röntgenobservatorium. Von seiner Position in der Erdumlaufbahn aus kann es sogar einzelne Photonen von entfernten Röntgenquellen identifizieren. Durch die Erstellung tiefer Bilder bedeutender Teile des Himmels können buchstäblich Hunderte von Röntgenquellen identifiziert werden, von denen jede einer entfernten Galaxie außerhalb unserer eigenen entspricht. Basierend auf dem Energiespektrum der empfangenen Photonen können wir supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum jeder Galaxie sehen.
Aber so unglaublich diese Entdeckung auch ist, es gibt viel mehr Schwarze Löcher auf der Welt als eines pro Galaxie. Natürlich gibt es in jeder Galaxie im Durchschnitt mindestens Millionen oder Milliarden Sonnenmassen, aber wir sehen nicht alles.
Die Massen bekannter binärer Schwarzlochsysteme, darunter drei verifizierte Fusionen und ein Fusionskandidat von LIGO
Werbevideo:
LIGO kündigte kürzlich seine dritte direkte Detektion eines starken Gravitationssignals aus einer Fusion binärer Schwarzer Löcher an, was die Verbreitung solcher Systeme im gesamten Universum bestätigt. Wir haben noch nicht genügend Statistiken, um eine numerische Schätzung zu erhalten, da die Fehlerschwelle zu hoch ist. Wenn wir jedoch die aktuelle Schwelle von LIGO und die Tatsache zugrunde legen, dass es (im Durchschnitt) alle zwei Monate ein Signal findet, kann man mit Sicherheit sagen, dass es in jeder Galaxie von der Größe der Milchstraße, die wir untersuchen können, mindestens ein Dutzend solcher gibt Systeme.
Erweiterte LIGO-Reihe und ihre Fähigkeit, verschmelzende Schwarze Löcher zu erkennen
Darüber hinaus zeigen unsere Röntgendaten, dass es viele binäre Schwarze Löcher mit geringerer Masse gibt; vielleicht deutlich mehr als die massiven, die LIGO finden kann. Und dies berücksichtigt nicht einmal die Daten, die auf die Existenz von Schwarzen Löchern hinweisen, die nicht in starren Binärsystemen enthalten sind, und es muss eine Mehrheit von ihnen geben. Wenn unsere Galaxie Dutzende von Schwarzen Löchern mittlerer und hoher Masse (10-100 Sonnenmassen) hat, sollte es Hunderte (3-15 Sonnenmassen) binäre Schwarze Löcher und Tausende isolierte (nicht binäre) Schwarze Löcher mit Sternmasse geben.
Der Schwerpunkt liegt hier auf "zumindest".
Weil schwarze Löcher so verdammt schwer zu finden sind. Bisher können wir nur die aktivsten, massivsten und prominentesten sehen. Schwarze Löcher, die spiralförmig und verschmelzen, sind großartig, aber solche Konfigurationen sollten kosmologisch selten sein. Diejenigen, die Chandra gesehen hat, sind die massereichsten, aktivsten und alle, aber die meisten Schwarzen Löcher sind keine Monster in Millionenhöhe, Milliarden von Sonnenmassen, und die meisten der großen Schwarzen Löcher sind derzeit inaktiv. Wir beobachten nur einen kleinen Teil der Schwarzen Löcher, und dies ist trotz der Pracht der beobachteten Löcher verständlich.
Was wir als Ausbruch von Gammastrahlung wahrnehmen, kann durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstehen, die Materie in das Universum ausstoßen und die schwersten bekannten Elemente erzeugen, aber am Ende auch ein Schwarzes Loch erzeugen.
Und doch haben wir eine Möglichkeit, eine qualitative Schätzung der Anzahl und Verteilung der Schwarzen Löcher zu erhalten: Wir wissen, wie sie sich bilden. Wir wissen, wie man sie aus jungen und massiven Sternen macht, die zu Supernovae werden, aus Neutronensternen, die verschmelzen, und im Prozess des direkten Zusammenbruchs. Und obwohl die optischen Signaturen für die Entstehung eines Schwarzen Lochs äußerst zweideutig sind, haben wir in der gesamten Geschichte des Universums genügend Sterne, deren Tod, katastrophale Ereignisse und Sternentstehung gesehen, um genau die Zahlen zu finden, nach denen wir suchen.
Die Überreste einer Supernova, die aus einem massiven Stern geboren wurde, hinterlassen ein kollabierendes Objekt: entweder ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern, aus dem sich später unter bestimmten Bedingungen ein Schwarzes Loch bilden kann
Diese drei Arten, Schwarze Löcher zu erzeugen, haben alle ihre Wurzeln, wenn Sie ihnen folgen, zu massiven Regionen der Sternentstehung. Um zu bekommen:
- Supernova, du brauchst einen Stern, der 8-10 mal so groß ist wie die Masse der Sonne. Sterne über 20-40 Sonnenmassen geben Ihnen ein schwarzes Loch; kleinere Sterne - ein Neutronenstern.
- Ein Neutronenstern, der in ein Schwarzes Loch übergeht, benötigt entweder zwei Neutronensterne, die spiralförmig tanzen oder kollidieren, oder einen Neutronenstern, der die Masse bis zu einer bestimmten Grenze (etwa 2,5 bis 3 Sonnenmassen) aus dem Begleitstern saugt, um ein Schwarzes Loch zu werden.
- Beim direkten Zusammenbruch eines Schwarzen Lochs benötigen Sie an einer Stelle genügend Material, um einen Stern zu bilden, der 25-mal so massereich ist wie die Sonne, und bestimmte Bedingungen, um ein Schwarzes Loch (keine Supernova) genau zu erhalten.
Hubble-Fotografien zeigen einen massiven Stern, der 25-mal so massereich ist wie die Sonne, der einfach ohne Supernova oder andere Erklärung verschwunden ist. Ein direkter Zusammenbruch ist die einzig mögliche Erklärung
In unserer Nähe können wir von allen Sternen, die sich bilden, messen, wie viele von ihnen die richtige Masse haben, um möglicherweise ein Schwarzes Loch zu werden. Wir stellen fest, dass nur 0,1 bis 0,2% aller Sterne in der Nähe genug Masse haben, um Supernova zu werden, wobei die überwiegende Mehrheit Neutronensterne bildet. Etwa die Hälfte der Systeme, die binäre (binäre) Systeme bilden, enthalten jedoch Sterne vergleichbarer Massen. Mit anderen Worten, die meisten der 400 Milliarden Sterne, die sich in unserer Galaxie gebildet haben, werden niemals zu Schwarzen Löchern.
Ein modernes spektrales Klassifizierungssystem für Morgan-Keenan-Systeme mit dem Temperaturbereich jeder Sternklasse in Kelvin. Die überwiegende Mehrheit (75%) der heutigen Sterne sind Sterne der M-Klasse, von denen nur 1 von 800 massiv genug ist, um Supernova zu werden
Aber das ist okay, weil einige von ihnen es tun werden. Noch wichtiger ist, dass viele bereits geworden sind, wenn auch in ferner Vergangenheit. Wenn sich Sterne bilden, erhalten Sie eine Massenverteilung: Sie erhalten einige massive Sterne, die etwas größer als der Durchschnitt sind, und viele massearme. So viele massearme Sterne der M-Klasse (Rote Zwerge) mit einer Masse von nur 8-40% der Sonnenmasse machen drei Viertel der Sterne in unserer Umgebung aus. Neue Sternhaufen werden nicht viele massive Sterne haben, die Supernova werden könnten. In der Vergangenheit waren die sternbildenden Regionen jedoch viel größer und massereicher als die Milchstraße heute.
Die größte Sternengärtnerei der lokalen Gruppe, 30 Doradus im Tarantelnebel, enthält die massereichsten Sterne, die der Mensch kennt. Hunderte von ihnen (in den nächsten Millionen Jahren) werden zu Schwarzen Löchern
Oben sehen Sie 30 Doradus, die größte Sternentstehungsregion der lokalen Gruppe mit einer Masse von 400.000 Sonnen. In dieser Region gibt es Tausende heißer, sehr blauer Sterne, von denen Hunderte Supernova werden. 10-30% von ihnen verwandeln sich in Schwarze Löcher und der Rest wird zu Neutronensternen. Vorausgesetzt, dass:
- In der Vergangenheit gab es in unserer Galaxie viele solcher Regionen.
- Die größten sternbildenden Regionen konzentrieren sich entlang der Spiralarme und in Richtung des galaktischen Zentrums.
- Wo wir heute Pulsare (die Überreste von Neutronensternen) und Gammastrahlenquellen sehen, wird es schwarze Löcher geben, - Wir können eine Karte erstellen und darauf zeigen, wo die Schwarzen Löcher sein werden.
Der Fermi-Satellit der NASA hat die hohen Energien des Universums in hoher Auflösung abgebildet. Schwarze Löcher in einer Galaxie auf einer Karte folgen wahrscheinlich kleinen Streuauswürfen und werden von Millionen verschiedener Quellen aufgelöst.
Dies ist Fermis Karte der Gammastrahlenquellen am Himmel. Es ähnelt der Sternenkarte unserer Galaxie, hebt jedoch die galaktische Scheibe stark hervor. Ältere Quellen haben an Gammastrahlen abgereichert, so dass sie relativ neue Punktquellen sind.
Im Vergleich zu dieser Karte lautet die Karte des Schwarzen Lochs:
- stärker im galaktischen Zentrum konzentriert;
- etwas unschärfer in der Breite;
- galaktische Ausbuchtung einschließen;
- bestehen aus 100 Millionen Objekten plus oder minus des Fehlers.
Wenn Sie eine Mischung aus der Fermi-Karte (oben) und der COBE-Galaxienkarte (unten) erstellen, erhalten Sie ein quantitatives Bild der Position der Schwarzen Löcher in der Galaxie.
Galaxie im Infrarot von COBE sichtbar. Obwohl diese Karte Sterne zeigt, folgen Schwarze Löcher einer ähnlichen Verteilung, wenn auch in der galaktischen Ebene stärker komprimiert und in Richtung der Ausbuchtung zentraler.
Schwarze Löcher sind real, häufig und die überwiegende Mehrheit von ihnen ist heute äußerst schwer zu erkennen. Das Universum gibt es schon sehr lange, und obwohl wir eine große Anzahl von Sternen sehen, sind die meisten der massereichsten Sterne - 95% oder mehr - längst gestorben. Was sind sie geworden? Ungefähr ein Viertel von ihnen ist zu Schwarzen Löchern geworden, Millionen verstecken sich immer noch.
Ein Schwarzes Loch, das milliardenfach massereicher ist als die Sonne, speist den Röntgenstrahl im Zentrum von M87, aber es müssen Milliarden anderer Schwarzer Löcher in dieser Galaxie sein. Ihre Dichte wird im galaktischen Zentrum konzentriert
Elliptische Galaxien wirbeln schwarze Löcher in einen elliptischen Schwarm, der um das galaktische Zentrum schwärmt, ähnlich wie die Sterne, die wir sehen. Viele Schwarze Löcher wandern schließlich zur Schwerkraft im Zentrum der Galaxie - weshalb supermassereiche Schwarze Löcher supermassiv werden. Aber wir sehen noch nicht das ganze Bild. Und wir werden nicht sehen, bis wir lernen, wie man Schwarze Löcher qualitativ visualisiert.
Ohne direkte Visualisierung gibt uns die Wissenschaft nur dies und sagt uns etwas Bemerkenswertes: Für jeweils tausend Sterne, die wir heute sehen, gibt es ungefähr ein Schwarzes Loch. Keine schlechte Statistik für völlig unsichtbare Objekte, da müssen Sie zustimmen.
ILYA KHEL