Уявіть собі, що наша галактика має власне «кладовище» – невидиме підземелля, де дрейфують залишки давно померлих зір. Саме таку картину змалювало нове моделювання, про яке пише ScienceAlert: у Чумацькому Шляху може ховатися близько 170 мільйонів зоряних чорних дір, і більшість із них уже давно відірвалися від місця свого народження.
Що відомо коротко
- Астрономи змоделювали еволюцію Чумацького Шляху за 13,6 мільярда років, щоб оцінити кількість зоряних чорних дір.
- Розрахунки показали, що в галактиці має існувати близько 170 мільйонів таких чорних дір.
- У районі орбіти Сонця це приблизно 1 чорна діра на 6 250 кубічних парсеків (парсек ≈ 3,26 світлового року).
- У середньому за історію галактики утворювалася приблизно 1 нова зоряна чорна діра кожні 80 років.
- Через «натальні поштовхи» від наднових чорні діри утворюють товстіший диск, ніж зорі: близько 790 парсеків завтовшки проти 306 парсеків у зоряного диска.
Як зірка перетворюється на невидиму пастку для світла
Зоряна чорна діра – це фінальний акт життя масивної зорі. Коли в її надрах вичерпується паливо для термоядерного синтезу, зоря втрачає внутрішню «опору» і стає нестабільною. Вона вибухає як наднова, а її ядро стискається до настільки щільного стану, що навіть світло не може вирватися з-під гравітації.
Для астрономів це майже як намагатися вивчати місто, де всі будинки стали невидимими: основне джерело інформації про Всесвіт – світло – тут не працює. Якщо чорна діра не «підсвічує» себе, пожираючи газ чи зорю-сусіда, її майже неможливо побачити безпосередньо. Тому порахувати, скільки таких об’єктів у нашій галактиці, – нетривіальне завдання.
Віртуальний Чумацький Шлях як машина часу
Щоб обійти цю невидимість, команда під керівництвом астрофізика Тома Вагга (Tom Wagg) з Інституту Флетайрона у США пішла іншим шляхом. Вони не шукали кожну чорну діру окремо, а відтворили всю історію галактики в комп’ютерній моделі.
Дослідники створили «віртуальні» Чумацькі Шляхи, простеживши мільярди років формування зір, їхню еволюцію, вибухи наднових, народження чорних дір і загальний розвиток галактики. Якщо така симуляція в результаті дає галактику, схожу на реальну, то її «невидимі» підрахунки можна вважати правдоподібною картиною прихованого Всесвіту.
Саме так вони й отримали оцінку: за час існування Чумацького Шляху близько 170 мільйонів зір мали завершити життя як чорні діри зоряної маси.
Чому 170 мільйонів – це і багато, і мало одночасно
На перший погляд цифра здається гігантською. Але якщо «розмазати» ці чорні діри по всьому об’єму галактики, виявляється, що простір між ними величезний. На відстані Сонця від центру галактики моделювання дає лише одну чорну діру на 6 250 кубічних парсеків.
Це приблизно об’єм куба зі стороною близько 18,4 парсека – тобто десятки світлових років у кожному напрямку. У такому масштабі навіть сотні мільйонів об’єктів перетворюються на рідкісні «острівці» в океані порожнечі.
Якщо подивитися на час, картина схожа: 170 мільйонів чорних дір за 13,6 мільярда років – це в середньому одна нова зоряна чорна діра приблизно раз на 80 років. Насправді ж «дитячий бум» чорних дір припав на ранню історію галактики, коли зір утворювалося набагато більше, ніж зараз.
Натальний поштовх: коли наднова «вибиває» чорну діру з дому
Найдивовижніше в результатах команди Вагга – не сама кількість чорних дір, а те, де вони зараз перебувають. Виявляється, чорні діри рідко залишаються там, де народилися. Багато з них отримують так званий натальний поштовх – асиметричний удар від вибуху наднової, який буквально «випинає» новонароджену чорну діру в інший регіон галактики.
У рідкісних випадках цей поштовх настільки сильний, що чорна діра взагалі вилітає з Чумацького Шляху. Але частіше вона просто вирушає в довгу подорож усередині галактики. Через це розподіл чорних дір відрізняється від розподілу зір, з яких вони утворилися.
Зорі Чумацького Шляху зосереджені в тонкому диску завтовшки близько 306 парсеків. А ось «диск» чорних дір, за розрахунками, має висоту близько 790 парсеків. Тобто чорні діри утворюють значно товстіший, розмитіший шар – справжнє «галактичне підземелля», що простягається далеко над і під площиною зоряного диска.
Чому легші чорні діри відлітають далі
Симуляції показали ще один парадоксальний ефект: найлегші чорні діри відлітають найдалі від площини галактики. Причина – у фізиці вибуху наднової. Щоб утворилася легша чорна діра, наднова має викинути більше зоряної речовини в космос. Чим більше маси викинуто, тим сильніший «віддачний» імпульс, який отримує залишок – тобто чорна діра.
Важчі чорні діри, навпаки, формуються тоді, коли значна частина зоряної речовини не вилітає назовні, а падає назад на новонароджену чорну діру. Такий «зворотний дощ» гасить натальний поштовх, і масивні чорні діри залишаються ближче до площини галактики.
Отже, розподіл мас і швидкостей чорних дір – це своєрідний «відбиток» того, як саме вибухали зорі, що їх породили.
Що це дасть майбутнім спостереженням
Робота команди Вагга – це не просто красива цифра в 170 мільйонів. Вона створює карту очікуваного розташування чорних дір, їхніх мас і рухів. Це своєрідний дорожній атлас для майбутніх оглядів неба, які шукатимуть чорні діри за гравітаційними ефектами або рідкісними спалахами акреції.
Якщо реальні спостереження збігатимуться з прогнозами моделі, це стане потужним підтвердженням того, що такі симуляції можна використовувати як інструмент для вивчення еволюції галактик. А якщо ні – астрономи отримають підказку, що в наших уявленнях про наднові чи формування чорних дір щось не так.
Особливо важливо, що маси й рухи чорних дір можуть допомогти відрізнити різні моделі вибухів наднових і колапсу зір. Інакше кажучи, галактичне підземелля може виявитися архівом, де зберігається історія того, як помирали зорі Чумацького Шляху.
FAQ
Ці результати вже підтверджені спостереженнями чи це лише модель?
Йдеться про комп’ютерні симуляції, засновані на сучасних уявленнях про еволюцію зір, чорних дір і галактик. Стаття подана до журналів AAS і розміщена на сервісі препринтів arXiv, тобто ще проходить формальне рецензування. Остаточну перевірку дадуть майбутні спостереження, які порівняють із цими прогнозами.
Чи означає це, що поблизу Сонця може бути прихована чорна діра?
Моделювання показує, що в околі Сонця чорні діри трапляються дуже рідко – приблизно одна на тисячі кубічних парсеків. Це величезні об’єми простору, тому ймовірність мати чорну діру буквально «за рогом» дуже мала. До того ж більшість із них не взаємодіють із навколишньою речовиною й залишаються практично непомітними.
Чому астрономи не можуть просто «побачити» всі ці чорні діри?
Чорна діра сама по собі не випромінює світло. Її можна виявити лише тоді, коли вона впливає на щось інше: наприклад, викривляє траєкторію світла від далекої зорі або розігріває газ, який падає на неї. Такі ситуації трапляються рідко, тому більшість чорних дір залишається невидимою, і астрономам доводиться покладатися на непрямі методи та моделювання.
Як це дослідження допоможе зрозуміти наднові?
Розподіл мас і швидкостей чорних дір зберігає інформацію про силу й асиметрію вибухів, що їх створили. Порівнюючи спостережувані характеристики чорних дір із прогнозами різних моделей наднових, астрономи зможуть відсіяти ті сценарії, які не відповідають реальності, і краще зрозуміти, як саме вибухають масивні зорі.
🤯 Виходить, що наша галактика