Untuk ketiga kalinya dalam sejarah, kami telah secara langsung menemukan tanda-tanda lubang hitam yang tak terbantahkan: gelombang gravitasi dari penggabungannya. Dikombinasikan dengan apa yang telah kita ketahui tentang orbit bintang di dekat pusat galaksi, pengamatan sinar-X dan radio dari galaksi lain, pengukuran kecepatan pergerakan gas, mustahil untuk menyangkal keberadaan lubang hitam. Tetapi apakah kita akan memiliki cukup informasi, dari sumber ini dan sumber lainnya, untuk memberi tahu kita berapa banyak lubang hitam yang ada di alam semesta dan bagaimana penyebarannya?
Sungguh, berapa banyak lubang hitam yang ada di alam semesta dibandingkan dengan bintang yang terlihat?
Hal pertama yang ingin Anda lakukan adalah beralih ke observasi langsung. Dan ini adalah awal yang bagus.
Peta eksposur 7 juta detik oleh Chandra Deep Field-South. Ada ratusan lubang hitam supermasif di wilayah ini
Teleskop sinar-X terbaik kami hingga saat ini adalah Observatorium Sinar-X Chandra. Dari posisinya di orbit Bumi, ia dapat mengidentifikasi bahkan foton tunggal dari sumber sinar-X yang jauh. Dengan membuat gambar yang dalam dari bagian-bagian penting langit, ini dapat mengidentifikasi ratusan sumber sinar-X, yang masing-masing berhubungan dengan galaksi yang jauh di luar kita. Berdasarkan spektrum energi foton yang diterima, kita melihat lubang hitam supermasif di pusat setiap galaksi.
Tapi yang luar biasa seperti penemuan ini, ada lebih banyak lubang hitam di dunia daripada satu lubang hitam per galaksi. Tentu saja, di setiap galaksi, rata-rata, setidaknya ada jutaan atau milyaran massa matahari, tetapi kita tidak melihat semuanya.
Massa sistem lubang hitam biner yang diketahui, termasuk tiga merger terverifikasi dan satu kandidat merger dari LIGO
Video promosi:
LIGO baru-baru ini mengumumkan deteksi langsung ketiganya dari sinyal gravitasi kuat dari penggabungan lubang hitam biner, yang mengonfirmasi prevalensi sistem semacam itu di seluruh alam semesta. Kami belum memiliki cukup statistik untuk mendapatkan perkiraan numerik karena ambang batas kesalahan terlalu tinggi. Tetapi jika kita mengambil dasar ambang LIGO saat ini dan fakta bahwa ia menemukan sinyal setiap dua bulan (rata-rata), kita dapat dengan aman mengatakan bahwa di setiap galaksi seukuran Bima Sakti yang dapat kita selidiki, setidaknya ada selusin seperti itu. sistem.
Jajaran LIGO tingkat lanjut dan kemampuannya untuk mendeteksi penggabungan lubang hitam
Selain itu, data sinar-X kami menunjukkan bahwa ada banyak lubang hitam biner dengan massa yang lebih rendah; mungkin jauh lebih banyak daripada yang bisa ditemukan LIGO. Dan ini bahkan tidak memperhitungkan data yang menunjukkan keberadaan lubang hitam, yang tidak termasuk dalam sistem biner yang kaku, dan pasti ada mayoritas. Jika galaksi kita memiliki lusinan lubang hitam bermassa menengah dan tinggi (10-100 massa matahari), seharusnya terdapat ratusan (3-15 massa matahari) lubang hitam biner dan ribuan lubang hitam terisolasi (non-biner) bermassa bintang.
Penekanannya di sini adalah pada "setidaknya".
Karena lubang hitam sangat sulit ditemukan. Sejauh ini, kita hanya bisa melihat yang paling aktif, paling masif, dan paling menonjol. Lubang hitam yang berputar dan menyatu memang bagus, tetapi konfigurasi seperti itu seharusnya langka secara kosmologis. Yang Chandra lihat adalah yang paling masif, aktif dan semuanya, tetapi kebanyakan lubang hitam bukanlah monster dalam jutaan, miliaran massa matahari, dan sebagian besar lubang hitam besar saat ini tidak aktif. Kami hanya mengamati sebagian kecil dari lubang hitam, dan ini layak dipahami, terlepas dari keindahan yang diamati.
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 terberat yang diketahui, tetapi pada akhirnya juga menciptakan lubang hitam.
Namun kami memiliki cara untuk mendapatkan perkiraan kualitatif dari jumlah dan distribusi lubang hitam: kami tahu bagaimana mereka terbentuk. Kita tahu bagaimana membuatnya dari bintang muda dan masif yang menjadi supernova, dari bintang neutron yang bergabung, dan dalam keruntuhan langsung. Dan meskipun tanda optik dari penciptaan lubang hitam sangat ambigu, kita telah melihat cukup banyak bintang, kematiannya, peristiwa bencana dan pembentukan bintang di seluruh sejarah alam semesta untuk dapat menemukan angka persis yang kita cari.
Sisa-sisa supernova yang lahir dari bintang masif meninggalkan benda yang runtuh: baik lubang hitam atau bintang neutron, yang darinya lubang hitam nantinya dapat terbentuk dalam kondisi tertentu.
Ketiga cara membuat lubang hitam ini semuanya berakar, jika Anda mengikutinya sepanjang jalan, ke wilayah masif pembentukan bintang. Untuk memperoleh:
- Supernova, Anda membutuhkan sebuah bintang yang berukuran 8-10 kali massa Matahari. Bintang yang lebih besar dari 20-40 massa matahari akan menghasilkan lubang hitam; bintang yang lebih kecil - bintang neutron.
- Bintang neutron yang menyatu ke dalam lubang hitam membutuhkan dua bintang neutron yang menari dalam bentuk spiral atau bertabrakan, atau bintang neutron yang menyedot massa bintang pendamping hingga batas tertentu (sekitar 2,5-3 massa matahari) untuk menjadi lubang hitam.
- Runtuhnya lubang hitam secara langsung, Anda membutuhkan bahan yang cukup di satu tempat untuk membentuk bintang 25 kali lebih besar dari Matahari, dan kondisi tertentu untuk mendapatkan lubang hitam secara akurat (bukan supernova).
Foto Hubble menunjukkan bintang masif 25 kali lebih masif dari Matahari, yang menghilang begitu saja 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 di antaranya yang memiliki massa yang tepat sehingga berpotensi menjadi lubang hitam. Kami menemukan bahwa hanya 0,1-0,2% dari semua bintang terdekat memiliki massa yang cukup untuk menjadi supernova, dengan sebagian besar membentuk bintang neutron. Sekitar setengah dari sistem yang membentuk sistem biner (biner), bagaimanapun, termasuk bintang dengan massa yang sebanding. Dengan kata lain, sebagian besar dari 400 miliar bintang yang telah terbentuk di galaksi kita tidak akan pernah menjadi lubang hitam.
Sistem klasifikasi spektral modern untuk sistem Morgan-Keenan dengan kisaran suhu setiap kelas bintang dalam Kelvin. Sebagian besar (75%) bintang saat ini adalah bintang kelas-M, di mana hanya 1 dari 800 yang cukup masif untuk menjadi supernova
Tapi tidak apa-apa, karena beberapa dari mereka akan melakukannya. Lebih penting lagi, banyak yang telah menjadi, meskipun di masa lalu. Saat bintang terbentuk, Anda mendapatkan distribusi massa: Anda mendapatkan beberapa bintang masif, sedikit lebih besar dari bintang rata-rata, dan banyak bintang bermassa rendah. Begitu banyak, bintang kelas-M bermassa rendah (katai merah) dengan massa hanya 8-40% dari massa matahari membentuk tiga perempat dari bintang-bintang di sekitar kita. Gugus bintang baru tidak akan memiliki banyak bintang masif yang bisa menjadi supernova. Namun di masa lalu, wilayah pembentuk bintang jauh lebih besar dan lebih kaya massa daripada Bima Sakti saat ini.
Kebun pembibitan bintang terbesar di grup lokal, 30 Doradus di Tarantula Nebula, berisi bintang paling masif yang diketahui manusia. Ratusan dari mereka (dalam beberapa juta tahun mendatang) akan menjadi lubang hitam
Di atas Anda melihat 30 Doradus, wilayah pembentuk bintang terbesar di grup lokal, dengan massa 400.000 matahari. Ada ribuan bintang panas, sangat biru di wilayah ini, ratusan di antaranya akan menjadi supernova. 10-30% di antaranya akan berubah menjadi lubang hitam, dan sisanya akan menjadi bintang neutron. Berasumsi bahwa:
- ada banyak wilayah seperti itu di galaksi kita di masa lalu;
- daerah pembentuk bintang terbesar terkonsentrasi di sepanjang lengan spiral dan menuju pusat galaksi;
- dimana kita melihat pulsar (sisa-sisa bintang neutron) dan sumber sinar gamma hari ini, akan ada lubang hitam, - kita bisa membuat peta dan menunjukkan di mana lubang hitam itu berada.
Satelit Fermi NASA telah memetakan energi tinggi alam semesta dalam resolusi tinggi. Lubang hitam di galaksi pada peta kemungkinan besar mengikuti lontaran hamburan kecil dan dipecahkan oleh jutaan sumber terpisah.
Ini adalah peta sumber sinar gamma Fermi di langit. Ini mirip dengan peta bintang galaksi kita, hanya saja peta ini sangat menyoroti piringan galaksi. Sumber yang lebih lama terkuras dalam sinar gamma, sehingga merupakan sumber titik yang relatif baru.
Dibandingkan dengan peta ini, peta lubang hitam akan menjadi:
- lebih terkonsentrasi di pusat galaksi;
- lebarnya sedikit lebih kabur;
- termasuk tonjolan galaksi;
- Terdiri dari 100 juta objek, plus atau minus error.
Jika Anda membuat peta hybrid Fermi (di atas) dan peta galaksi COBE (di bawah), Anda bisa mendapatkan gambaran kuantitatif lokasi lubang hitam di galaksi.
Galaksi terlihat dalam inframerah dari COBE. Meskipun peta ini menunjukkan bintang, lubang hitam akan mengikuti distribusi yang serupa, meskipun lebih terkompresi di bidang galaksi dan lebih terpusat ke tonjolan.
Lubang hitam itu nyata, umum, dan sebagian besar sangat sulit dideteksi saat ini. Alam semesta telah ada untuk waktu yang sangat lama, dan meskipun kita melihat sejumlah besar bintang, sebagian besar bintang yang paling masif - 95% atau lebih - telah lama mati. Apa jadinya mereka? Sekitar seperempat dari mereka telah menjadi lubang hitam, jutaan masih bersembunyi.
Sebuah lubang hitam yang milyaran kali lebih masif dari Matahari memberi makan jet sinar-X di pusat M87, tetapi pasti ada miliaran lubang hitam lain di galaksi ini. Kepadatannya akan terkonsentrasi di pusat galaksi
Galaksi elips berputar lubang hitam menjadi kawanan elips yang berkerumun di sekitar pusat galaksi, seperti bintang yang kita lihat. Banyak lubang hitam yang pada akhirnya bermigrasi ke sumur gravitasi di pusat galaksi - itulah sebabnya lubang hitam supermasif menjadi supermasif. Tapi kita belum melihat gambaran keseluruhannya. Dan kita tidak akan melihat sampai kita belajar bagaimana memvisualisasikan lubang hitam secara kualitatif.
Dengan tidak adanya visualisasi langsung, sains hanya memberi kita ini dan memberi tahu kita sesuatu yang luar biasa: untuk setiap seribu bintang yang kita lihat hari ini, kira-kira ada satu lubang hitam. Bukan statistik buruk untuk objek yang sama sekali tidak terlihat, Anda harus setuju.
ILYA KHEL
