Сколько черных дыр во Вселенной?

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий программ «Спроси космонавта» и «Космическое радио» и автор книги «Как умереть в космосе». Саттер опубликовал эту статью для журнала Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Как известно, черные дыры трудно обнаружить, поскольку они такие же черные, как и окружающее их пространство.

Мы можем точно определить их местонахождение только в особых обстоятельствах, например, когда они вытягивают газ из соседней звезды или сливаются вместе, испуская поток гравитационных волн. Итак, сколько там черных дыр? Чтобы ответить на этот вопрос, астрономы должны обратиться к теоретическим расчетам, чтобы сделать оценки.

В недавнем исследовании ученые определили, что в нашем космическом районе потенциально есть миллионы еще не обнаруженных маленьких черных дыр. Это означает, что около 1% всей материи во Вселенной заключено внутри черных дыр.

Ингредиенты черной дыры

Чтобы создать черную дыру, вам нужно создать звезды, потому что черные дыры возникают в результате смерти звезд. Поэтому, чтобы выяснить, сколько черных дыр во Вселенной, исследователям, стоящим за исследованием, которое недавно появилось в журнале препринтов arXiv и было принято к публикации в The Astrophysical Journal, пришлось сделать несколько шагов назад.

Первый шаг — смоделировать эволюцию галактик на протяжении миллиардов лет космической истории. В конце концов, галактики — это дома звезд, и их общая эволюция влияет на то, сколько звезд каждого типа появляется внутри них. Например, некоторые галактики могут стабильно образовывать новые звезды год за космическим годом.

Другие могут пострадать от событий слияния, которые запускают раунд невероятно высокого звездообразования, только для того, чтобы они сгорели и больше не производили ничего примечательного. Астрономы провели известные наблюдения за статистикой галактик за космическое время, отметив общую тенденцию темпов слияния галактик и демографии.

Другой ключевой фактор — это так называемая «металличность» галактики, которая является мерой количества элементов, отличных от водорода и гелия, внутри галактики (астрономы называют их «металлами»).

В более крупных галактиках будет больше газа, что позволит им образовывать больше звезд. Но большее количество металлов может усилить охлаждение газа, что, в свою очередь, помогает галактикам эффективно производить новые звезды.

Рецепты черной дыры

С помощью этих строительных блоков астрономы получили модель звездного населения внутри галактик, рассказывающую им, сколько маленьких, средних и больших звезд появляется во Вселенной. А затем им нужно было проследить эволюцию — и, самое главное, смерть — этих звезд. Для этого они обратились к моделированию, которое связывает свойства конкретной звезды (ее массу и металличность) с ее временем жизни и возможной гибелью.

Лишь небольшая часть самых крупных звезд порождает черные дыры, и это моделирование сообщает астрономам, какой процент звезд в галактике гаснет каждый год. Затем астрономам пришлось проследить эволюцию двойных систем, поскольку черные дыры могут питаться от звезд-братьев, пополняясь при этом их газом.

Таким образом, черная дыра, образованная в двойной системе, в конечном итоге окажется больше, чем черная дыра, рожденная в одиночку. По мере того как черные дыры стареют, они продолжают питаться любым окружающим газом, что также оценили астрономы.

Наконец, иногда черные дыры находят друг друга в темноте межзвездного пространства и сливаются вместе. Таким образом, чтобы произвести точный обзор, астрономы должны были оценить скорость слияния черных дыр в каждой галактике.

Великая перепись черной дыры

Собрав все вместе, астрономы смогли отследить популяцию черных дыр на протяжении миллиардов лет. Они произвели так называемую «функцию массы», которая является своего рода астрономической переписью, сообщающей, сколько черных дыр каждого размера существует в любой момент времени.

Неудивительно, что самые большие черные дыры, называемые сверхмассивными черными дырами, встречаются гораздо реже, чем их меньшие собратья. Исследователи обнаружили, что в каждом кубическом мегапарсеке космоса (где мегапарсек — один миллион парсеков, или 3,26 миллиона световых лет) наша Вселенная содержит около 50 миллионов черных дыр с массой Солнца.

Если каждая черная дыра в несколько раз больше массы Солнца, это означает около 10 миллионов отдельных черных дыр в том же объеме. Чтобы представить это в перспективе, общее количество массы, содержащейся в черных дырах, составляет около 10% массы, содержащейся в звездах. Итак, среди всех звезд, которые вы видите на ночном небе, между ними скрывается множество черных дыр.

С другой стороны, сверхмассивные черные дыры крайне редки, и в каждой галактике обычно обитает только один из этих монстров. В целом, черные дыры составляют около 1% всей барионной (не темной материи) материи в космосе сегодня. Безусловно, большая часть барионной материи находится в рыхлых туманностях. Но все же это не к чему, а это означает, что черные дыры пугающе распространены.