Per la terza volta nella storia, abbiamo scoperto direttamente la firma innegabile dei buchi neri: le onde gravitazionali dalla loro fusione. In combinazione con ciò che già sappiamo sulle orbite stellari vicino al centro galattico, i raggi X e le osservazioni radio di altre galassie, le misurazioni della velocità del movimento dei gas, è impossibile negare l'esistenza di buchi neri. Ma avremo abbastanza informazioni, da queste e altre fonti, per dirci quanti buchi neri ci sono realmente nell'Universo e come sono distribuiti?
In effetti, quanti buchi neri ci sono nell'Universo rispetto alle stelle visibili?
La prima cosa che vorresti fare è passare all'osservazione diretta. E questo è un ottimo inizio.
Mappa di esposizione di 7 milioni di secondi di Chandra Deep Field-South. Ci sono centinaia di buchi neri supermassicci in questa regione
Il nostro miglior telescopio a raggi X fino ad oggi è l'Osservatorio a raggi X Chandra. Dalla sua posizione nell'orbita terrestre, può identificare anche singoli fotoni da sorgenti di raggi X distanti. Creando immagini profonde di porzioni significative del cielo, può identificare letteralmente centinaia di sorgenti di raggi X, ciascuna delle quali corrisponde a una galassia lontana oltre la nostra. Sulla base dello spettro energetico dei fotoni ricevuti, possiamo vedere buchi neri supermassicci al centro di ogni galassia.
Ma per quanto incredibile sia questa scoperta, ci sono molti più buchi neri nel mondo di uno per galassia. Certo, in ogni galassia, in media, ci sono almeno milioni o miliardi di masse solari, ma non vediamo tutto.
Le masse di sistemi binari di buchi neri conosciuti, comprese tre fusioni verificate e un candidato alla fusione di LIGO
Video promozionale:
LIGO ha recentemente annunciato il suo terzo rilevamento diretto di un potente segnale gravitazionale da una fusione di buchi neri binari, confermando la prevalenza di tali sistemi in tutto l'universo. Non disponiamo ancora di statistiche sufficienti per ottenere una stima numerica perché la soglia di errore è troppo alta. Ma se prendiamo come base la soglia attuale di LIGO e il fatto che trovi un segnale ogni due mesi (in media), è sicuro dire che in ogni galassia delle dimensioni della Via Lattea che possiamo sondare, ce ne sono almeno una dozzina di questi sistemi.
Gamma avanzata LIGO e la sua capacità di rilevare la fusione dei buchi neri
Inoltre, i nostri dati a raggi X mostrano che ci sono molti buchi neri binari con massa inferiore; forse molto di più di quelli enormi che LIGO riesce a trovare. E questo non tiene nemmeno conto dei dati che indicano l'esistenza di buchi neri, che non sono inclusi nei sistemi binari rigidi, e devono essercene la maggioranza. Se la nostra galassia ha dozzine di buchi neri di massa media e alta (10-100 masse solari), ci devono essere centinaia (3-15 masse solari) di buchi neri binari e migliaia di buchi neri isolati (non binari) di massa stellare.
L'enfasi qui è su "almeno".
Perché i buchi neri sono così dannatamente difficili da trovare. Finora, possiamo vedere solo il più attivo, il più massiccio e il più prominente. I buchi neri che si sviluppano a spirale e si fondono sono grandi, ma tali configurazioni dovrebbero essere cosmologicamente rare. Quelli che Chandra ha visto sono i più massicci, attivi e tutti, ma la maggior parte dei buchi neri non sono mostri nei milioni di miliardi di masse solari, e la maggior parte dei grandi buchi neri sono attualmente inattivi. Osserviamo solo una piccola frazione di buchi neri, e questo vale la pena capirlo, nonostante la magnificenza di quanto osservato.
Ciò che percepiamo come un'esplosione di radiazioni gamma può verificarsi dalla fusione di stelle di neutroni, che espellono materia nell'universo e creano gli elementi più pesanti conosciuti, ma alla fine creano anche un buco nero.
Eppure abbiamo un modo per ottenere una stima qualitativa del numero e della distribuzione dei buchi neri: sappiamo come si formano. Sappiamo come crearli da stelle giovani e massicce che diventano supernovae, da stelle di neutroni che si fondono e nel processo di collasso diretto. E sebbene le firme ottiche della creazione di un buco nero siano estremamente ambigue, abbiamo visto abbastanza stelle, le loro morti, eventi catastrofici e formazione stellare nella storia dell'Universo per essere in grado di trovare esattamente i numeri che stiamo cercando.
I resti di una supernova nata da una stella massiccia lasciano dietro di sé un oggetto che collassa: un buco nero o una stella di neutroni, da cui può successivamente formarsi un buco nero in determinate condizioni
Questi tre modi di creare buchi neri hanno tutti le loro radici, se li segui fino in fondo, in enormi regioni di formazione stellare. Ottenere:
- Supernova, hai bisogno di una stella che sia 8-10 volte la massa del Sole. Stelle più grandi di 20-40 masse solari ti daranno un buco nero; stelle più piccole - una stella di neutroni.
- Una stella di neutroni che si fonde in un buco nero necessita o di due stelle di neutroni che danzano a spirale o si scontrano, o di una stella di neutroni che risucchia massa da una stella compagna fino a un certo limite (circa 2,5-3 masse solari) per diventare un buco nero.
- Collasso diretto di un buco nero, è necessario materiale sufficiente in un punto per formare una stella 25 volte più massiccia del Sole e determinate condizioni per ottenere con precisione un buco nero (non una supernova).
Le fotografie di Hubble mostrano una stella massiccia 25 volte più massiccia del Sole, che è semplicemente scomparsa senza supernova o altre spiegazioni. Il collasso diretto sarà l'unica spiegazione possibile
Nelle nostre vicinanze possiamo misurare, di tutte le stelle che si stanno formando, quante di esse hanno la massa corretta per diventare potenzialmente un buco nero. Scopriamo che solo lo 0,1-0,2% di tutte le stelle vicine ha una massa sufficiente per diventare supernova, con la stragrande maggioranza che forma stelle di neutroni. Tuttavia, circa la metà dei sistemi che formano sistemi binari (binari) include stelle di massa comparabile. In altre parole, la maggior parte dei 400 miliardi di stelle che si sono formate nella nostra galassia non diventeranno mai buchi neri.
Un moderno sistema di classificazione spettrale per i sistemi Morgan-Keenan con l'intervallo di temperatura di ciascuna classe stellare in Kelvin. La stragrande maggioranza (75%) delle stelle oggi sono di classe M, di cui solo 1 su 800 è abbastanza massiccia da diventare supernova
Ma va bene, perché alcuni di loro lo faranno. Ancora più importante, molti lo sono già diventati, anche se in un lontano passato. Quando si formano le stelle, si ottiene una distribuzione di massa: si ottengono poche stelle massicce, leggermente più grandi della media e molte di bassa massa. Tante, quelle stelle di piccola massa di classe M (nane rosse) con una massa di solo l'8-40% della massa solare costituiscono tre quarti delle stelle nelle nostre vicinanze. I nuovi ammassi di stelle non avranno molte stelle massicce che possono diventare supernova. Ma in passato, le regioni di formazione stellare erano molto più grandi e ricche di massa di quanto lo sia oggi la Via Lattea.
Il più grande vivaio stellare del gruppo locale, 30 Doradus nella Nebulosa Tarantola, contiene le stelle più massicce conosciute dall'uomo. Centinaia di loro (nei prossimi milioni di anni) diventeranno buchi neri
Sopra vedete 30 Doradus, la più grande regione di formazione stellare nel gruppo locale, con una massa di 400.000 soli. Ci sono migliaia di stelle calde e molto blu in questa regione, di cui centinaia diventeranno supernove. Il 10-30% di loro si trasformerà in buchi neri e il resto diventerà stelle di neutroni. Supponendo che:
- in passato c'erano molte di queste regioni nella nostra galassia;
- le più grandi regioni di formazione stellare sono concentrate lungo i bracci della spirale e verso il centro galattico;
- dove oggi vediamo pulsar (i resti di stelle di neutroni) e sorgenti di raggi gamma, ci saranno buchi neri, - possiamo fare una mappa e mostrarvi dove saranno i buchi neri.
Il satellite Fermi della NASA ha mappato le alte energie dell'universo in alta risoluzione. È probabile che i buchi neri in una galassia su una mappa seguano le espulsioni con una piccola dispersione e vengano risolti da milioni di fonti separate.
Questa è la mappa di Fermi delle sorgenti di raggi gamma nel cielo. È simile alla mappa stellare della nostra galassia, tranne per il fatto che evidenzia fortemente il disco galattico. Le sorgenti più vecchie sono impoverite nei raggi gamma, quindi sono sorgenti puntiformi relativamente nuove.
Rispetto a questa mappa, la mappa del buco nero sarà:
- più concentrato nel centro galattico;
- leggermente più sfocato in larghezza;
- includere il rigonfiamento galattico;
- consiste di 100 milioni di oggetti, più o meno l'errore.
Se crei un ibrido della mappa di Fermi (sopra) e della mappa galassia COBE (sotto), puoi ottenere un'immagine quantitativa della posizione dei buchi neri nella galassia.
Galaxy visibile all'infrarosso da COBE. Sebbene questa mappa mostri le stelle, i buchi neri seguiranno una distribuzione simile, sebbene più compressa sul piano galattico e più centralizzata verso il rigonfiamento.
I buchi neri sono reali, comuni e la stragrande maggioranza di essi è estremamente difficile da rilevare oggi. L'universo esiste da moltissimo tempo e sebbene vediamo un numero enorme di stelle, la maggior parte delle stelle più massicce - il 95% o più - sono morte da tempo. Cosa sono diventati? Circa un quarto di loro sono diventati buchi neri, milioni si nascondono ancora.
Un buco nero miliardi di volte più massiccio del Sole alimenta un getto di raggi X al centro di M87, ma ci devono essere miliardi di altri buchi neri in questa galassia. La loro densità sarà concentrata nel centro galattico
Le galassie ellittiche turbinano buchi neri in uno sciame ellittico che sciami intorno al centro galattico, proprio come le stelle che vediamo. Molti buchi neri alla fine migrano verso il pozzo gravitazionale al centro della galassia, motivo per cui i buchi neri supermassicci diventano supermassicci. Ma non vediamo ancora l'intero quadro. E non vedremo finché non impareremo a visualizzare qualitativamente i buchi neri.
In assenza di visualizzazione diretta, la scienza ci dà solo questo e ci dice qualcosa di straordinario: per ogni mille stelle che vediamo oggi, c'è all'incirca un buco nero. Statistiche non male per oggetti completamente invisibili, devi essere d'accordo.
ILYA KHEL
