Grupa włoskich i brytyjskich astrofizyków policzyła, że w obserwowanym Wszechświecie o średnicy około 90 miliardów lat świetlnych jest przynajmniej 40 miliardów miliardów czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego (40 000000000 000000000). Według tych szacunków, znaczna ilość ~1% „zwykłej” (barionowej) materii we Wszechświecie jest zamknięta w gwiazdowych czarnych dziurach.
Ile czarnych dziur jest we Wszechświecie?
Jest to jedno z najbardziej istotnych i pilnych pytań we współczesnej astrofizyce i kosmologii. Ostatnio ta intrygująca kwestia była analizowana przez doktoranta Alex Sicilia pod kierunkiem prof. Andrea Lapi i dr Lumen Boco z włoskiego SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) oraz autorów z innych instytucji. W pierwszej publikacji z większej serii na ten temat, która właśnie ukazała się w The Astrophysical Journal, autorzy badali demografię gwiazdowych czarnych dziur.
Gwiazdowe czarne dziury o masach w zakresie 5 -150 Mʘ są końcowym i czasami dramatycznym etapem ewolucji gwiazd masywnych.
Na drugim końcu są supermasywne czarne dziury o masach w zakresie 106 - 1010 Mʘ, powiększających się głównie poprzez akrecję gazu, która zasila energią spektakularne, szerokopasmowe emisje w aktywnych jądrach galaktyk. Taka aktywność może mieć przemożny wpływ na ewolucję galaktyk.
Są też najmniej poznane czarne dziury o masach pośrednich w zakresie 103 -106 Mʘ. Do tej pory zostały rozpoznane tylko wstępne dane na temat tych obiektów. Trwa wyścig, aby zrozumieć ich astrofizyczne znaczenie.
Według szacunków z omawianej publikacji, znaczna ilość ~1% „zwykłej” (barionowej) materii we Wszechświecie jest zamknięta w gwiazdowych czarnych dziurach. Astronomowie policzyli, że w obserwowanym Wszechświecie o średnicy około 90 miliardów lat świetlnych jest przynajmniej 40 miliardów–miliardów czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego (40 000000000 000000000 = 4x1019).
Nowa metoda szacowania liczby czarnych dziur
Jedną z najbardziej fundamentalnych wielkości do badań demograficznych populacji czarnych dziur jest reliktowa funkcja masy, a mianowicie - gęstość liczbowa czarnych dziur przypadająca na współporuszającą się objętość i jednostkę masy czarnej dziury, jako funkcja przesunięcia ku czerwieni.
Wykonaliśmy obliczenia ab initio reliktowej funkcji masy czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego w czasie kosmicznym, łącząc oprogramowanie SEVN - liczące ewolucję gwiazd i układów podwójnych według aktualnego stanu wiedzy, z zależną od przesunięcia ku czerwieni statystyką galaktyk i empirycznie skalowaną relacją, która wiąże metaliczność, tempo powstawania gwiazd i masy gwiazd - powiedział Alex Sicilia.
Skrót SEVN pochodzi z j.ang. „Stellar EVolution N-body” i oznacza oprogramowanie do syntezy populacji, które łączy ewolucję gwiazd poprzez interpolację siatki modeli ewolucyjnych gwiazd, policzonych wcześniej programami takimi, jak np.:
• STARTRACK - oprogramowanie stworzone i używane przez polskich astrofizyków z CAMK pod kierunkiem prof. Krzysztofa Belczyńskiego; każdy może udostępnić swój komputer do obliczeń w ramach tego projektu poprzez stronę internetową https://universeathome.pl/universe/;
• PARSEC oraz COLIBRI.
Astronomowie uzyskali liczbę czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego i ich rozkład masy w całej historii Wszechświata, wykorzystując ww. ważne elementy w spójnym podejściu, dzięki nowym metodom numerycznym.
Astronomowie oszacowali, że reliktowa gęstość (ang. relic mass density) czarnych dziur pochodzących od gwiazd w lokalnym Wszechświecie wynosi 50 milionów mas Słońca na megaparsek sześcienny (w skrócie: 5 x 107 Mʘ / Mpc3) i przewyższa o więcej niż dwa rzędy wielkości gęstość reliktową supermasywnych czarnych dziur.
Nowatorski charakter tej pracy polega na połączeniu szczegółowego modelowania ewolucji gwiazd i układów podwójnych z zaawansowanymi formułami na powstawanie gwiazd i wzbogacenia metalami w poszczególnych galaktykach. Jest to jedno z pierwszych i zarazem najbardziej solidnych obliczeń funkcji masy czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego w historii Wszechświata, które to rachunki opierają się na podstawowych prawach fizyki (czyli łac. ab initio) – powiedział Scilia.
Jak powstają najbardziej masywne gwiazdowe czarne dziury?
Oszacowanie liczby czarnych dziur w obserwowanym Wszechświecie nie jest jedynym zagadnieniem badanym w omawianej publikacji. Astronomowie analizowali również ścieżki ewolucyjne dla czarnych dziur o różnych masach takich jak pojedyncze gwiazdy, układy podwójne i gromady gwiazdowe.
Z tej pracy wynika, że najbardziej masywne gwiazdowe czarne dziury pochodzą głównie z dynamicznych zdarzeń w gromadach gwiazdowych. W szczególności pokazano, że takie zdarzenia wymagają funkcji masy zlewających się czarnych dziur takiej, jak szacowana z obserwacji fal grawitacyjnych przez interferometry LIGO/Virgo.
Jeden ze współautorów publikacji - Lumen Boco, skomentował to następująco: nasza praca zapewnia solidną teorię powstawania nasion (super)masywnych czarnych dziur przy dużych przesunięciach ku czerwieni i może stanowić punkt startowy do badań nad pochodzeniem „ciężkich nasion”, co będziemy realizowali w przyszłych publikacjach.
Dodatek dla czytelników z zacięciem matematycznym
Idea według której oszacowano reliktową funkcji masy dla gwiazdowych czarnych dziur (ang. stellar BH relic mass function, na rysunku: „BH Mass Function”).
Uzyskano to poprzez sumowanie (na rysunku: ∫- symbol sumowania/całkowania) po całym zakresie przesunięcia ku czerwieni (na rysunku: „z”) kosmicznego współczynnika narodzin czarnych dziur (na rysunku: „BH Cosmic Birthrate”), który z kolei został wyznaczony jako matematyczny splot (na rysunku: „⁕”) składnika galaktycznego (na rysunku: Galactic Term) i gwiazdowego (na rysunku: Stellar Term).
Składnik galaktyczny jest obliczany jako splot następujących funkcji:
1) statystyka galaktyk (bazuje na danej funkcji określającej tempo powstawania gwiazd),
2) rozkład metaliczności danej galaktyki z uwzględnieniem funkcji określającej tempo powstawania gwiazd i masy gwiazd,
3) rozkład mas gwiazd danej galaktyki z uwzględnieniem funkcji określającej tempo powstawania gwiazd i przesunięcie ku czerwieni.
Składnik gwiazdowy jest obliczany za pomocą oprogramowania SEVN jako suma liczby przypadków:
1) ewolucja pojedynczej gwiazdy zakończonej powstaniem czarnej dziury,
2) ewolucja gwiazdowego układu podwójnego, zakończonego powstaniem czarnej dziury,
3) ewolucja gwiazdowego układu podwójnego i powstanie układu podwójnego czarnych dziur, w którym czarne dziury emitują promieniowanie grawitacyjne i stopniowo zbliżają się do siebie, by w końcu połączyć się w jedną czarną dziurę.
Źródło: Alex Sicilia et al 2022 ApJ 924 56, DOI: 10.3847/1538-4357/ac34fb
Graficzne wyjaśnienie pojęcia z dziedziny analizy funkcjonalnej: splot / konwolucja. W wyniku operacji konwolucji na funkcjach matematycznych „f” i „g” otrzymujemy funkcję „f⁕g”. Źródło: Wikipedia
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (dostęp otwarty): Alex Sicilia, Andrea Lapi, Lumen Boco, Mario Spera, Ugo N. Di Carlo, Michela Mapelli, Francesco Shankar, David M. Alexander, Alessandro Bressan, Luigi Danese. „The Black Hole Mass Function Across Cosmic Times. I. Stellar Black Holes and Light Seed Distribution”. The Astrophysical Journal, 2022; 924 (2): 56 DOI: 10.3847/1538-4357/ac34fb
Materiał popularno-naukowy: There are 40 billion billions of Black Holes in the Universe
Źródło: SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati)
Na ilustracji: wizja artystyczna gwiazdy niszczonej przez czarną dziurę o masie pośredniej, która jest otoczona przez dysk akrecyjny. Ten cienki, rotujący dysk składa się z pozostałości po gwieździe, które zostały z niej wyciągnięte przez siły pływowe czarnej dziury. Źródło: ESA/Hubble, M. Kornmesser
