Поскольку мы не можем видеть черные дыры, трудно точно сказать, сколько их в большой, широкой Вселенной. Но это не значит, что у нас нет возможности попытаться это выяснить.
Черные дыры звездной массы представляют собой сколлапсировавшие ядра мертвых массивных звезд, и новое исследование, учитывающее то, как эти звезды и двойные системы формируются и развиваются, позволило получить новую оценку популяции черных дыр звездной массы во Вселенной.
Число довольно ошеломляющее: 40 квинтиллионов, или 40 000 000 000 000 000 000 черных дыр, что составляет примерно 1 процент всей обычной материи в наблюдаемой Вселенной.
«Инновационный характер этой работы заключается в соединении подробной модели эволюции звезд и двойных систем с передовыми рецептами звездообразования и обогащения металлами отдельных галактик», — объясняет астрофизик Алекс Сицилия из Международной школы передовых исследований (SISSA) в Италии.
«Это одно из первых и одно из самых надежных вычислений функции черной дыры звездной массы за всю космическую историю с самого начала».
Черные дыры — это огромный вопросительный знак, нависший над нашим пониманием Вселенной, вернее, множество вопросительных знаков. Но если у нас будет хорошее представление о том, сколько черных дыр существует, это может помочь ответить на некоторые из этих вопросов.
Один из подходов заключается в оценке истории массивных звезд во Вселенной. Тогда мы сможем вычислить количество черных дыр, которые должны находиться в любом заданном объеме пространства.
Это знание может дать ключ к пониманию роста и эволюции сверхмассивных черных дыр, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца и которые составляют ядра галактик.
Сицилия и его коллеги использовали вычислительный подход. Они включали только черные дыры, которые образуются в результате эволюции одиночных или двойных звезд и с учетом роли слияний черных дыр, количество которых можно оценить на основе данных гравитационных волн и которые производят черные дыры чуть большей массы.
Это позволило им рассчитать скорость рождения черных дыр звездной массы от пяти до 160 масс Солнца за время жизни Вселенной.
Эта скорость рождения предполагает, что сегодня в наблюдаемой Вселенной должно быть примерно 40 квинтиллионов черных дыр звездной массы, причем самые массивные черные дыры звездной массы образуются в результате слияния двойных черных дыр в скоплениях звезд.
Команда сравнила свои результаты с данными о гравитационных волнах и обнаружила, что их оценка скорости слияния черных дыр хорошо согласуется с данными наблюдений. Это говорит о том, что за столкновениями черных дыр, которые мы наблюдали, вероятно, стоят слияния звездных скоплений.
Рассчитав скорость рождения с течением времени, исследователи также смогли получить оценку количества черных дыр звездной массы в ранней Вселенной. Это представляет большой интерес, поскольку наблюдения далекой Вселенной выявили сверхмассивные черные дыры в поразительно раннем времени после Большого взрыва.
Непонятно, как эти великаны так быстро выросли такими большими. Некоторые текущие вопросы касаются массы «семян» черных дыр, из которых они выросли, — были ли они легкими черными дырами звездной массы или «тяжелыми» черными дырами промежуточной массы.
Исследование группы послужит основой для изучения этих вопросов. Эта статья была первой в серии; в будущих работах будут исследованы черные дыры промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры, чтобы получить более полную картину распределения черных дыр во Вселенной.
«Наша работа обеспечивает надежную теорию образования легких семян для (сверх)массивных черных дыр с большим гравитационным красным смещением и может стать отправной точкой для исследования происхождения «тяжелых семян», которыми мы займемся в следующей статье» - говорит астрофизик Люмен Боко из SISSA.
Исследование команды было опубликовано в The Astrophysical Journal.
