Tanya Ethan: ada berapa banyak lubang hitam di alam semesta?

Meskipun kami secara langsung mencatat tiga merger lubang hitam, kami sadar akan keberadaan mereka yang jumlahnya jauh lebih besar. Dan di situlah seharusnya mereka berada

Untuk ketiga kalinya dalam sejarah pengamatan, kami secara langsung merekam fitur karakteristik lubang hitam: gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh merger mereka. Jika kita menggabungkan ini dengan pengetahuan kita tentang orbit bintang yang bergerak di sekitar pusat galaksi, pengamatan galaksi lain dalam sinar-X dan jangkauan radio, dan pengukuran kecepatan gas, kita akan mendapatkan bukti konklusif tentang keberadaan lubang hitam di berbagai situasi. Tetapi apakah kita memiliki cukup informasi yang diperoleh dari sumber-sumber ini dan sumber-sumber lain untuk mencari tahu jumlah dan distribusi lubang hitam yang sebenarnya di Semesta? Topik ini didedikasikan untuk pertanyaan pembaca hari ini:

Peristiwa terakhir yang direkam di LIGO membuat saya berpikir tentang berapa banyak lubang hitam yang akan terlihat di langit jika mereka bisa melihatnya (dan untuk kejelasan, jika hanya lubang hitam yang bisa melihat), berapa distribusi spasial dan energi dari lubang hitam di atas dibandingkan dengan distribusi bintang yang terlihat?

Dorongan pertama Anda bisa menjadi keinginan untuk pergi ke pengamatan langsung - dan ini merupakan awal yang baik untuk penyelidikan.


Chandra Deep Field South (CDF-S) Peta Observatorium Sinar-X Chandra Space

Observatorium X-ray Chandra masih merupakan teleskop sinar-X terbaik kami. Dari lokasinya di orbit Bumi, ia dapat mengambil bahkan foton individual yang berasal dari sumber sinar-X yang jauh. Dengan mengambil gambar dari area langit yang cukup luas, ia dapat mengidentifikasi ratusan sumber titik radiasi sinar-x, yang masing-masing sesuai dengan galaksi jauh yang terletak di luar kita. Berdasarkan spektrum energi dari foton yang diperoleh, kita dapat mengamati bukti keberadaan lubang hitam supermasif di pusat setiap galaksi.

Ini sendiri mengejutkan, tetapi ada lebih banyak lubang hitam daripada hanya satu BH berukuran raksasa untuk setiap galaksi. Tentu saja, masing-masing galaksi memiliki setidaknya satu BH dalam massa yang melebihi Matahari hingga jutaan atau bahkan milyaran kali, tetapi ada banyak galaksi lain selain mereka.


Massa sistem BH ganda terkenal, termasuk tiga merger dikonfirmasi dan satu kandidat merger diterima dari LIGO

LIGO baru-baru ini mengumumkan fiksasi langsung ketiga dari sinyal yang jelas dari gelombang gravitasi dari penggabungan BH ganda, yang menunjukkan prevalensi sistem tersebut di seluruh Semesta. Untuk penilaian numerik, kami tidak memiliki statistik yang cukup, kesalahannya terlalu besar. Tetapi jika Anda melihat kisaran LIGO saat ini, dan fakta bahwa ia menemukan rata-rata satu sinyal setiap dua bulan, kami dapat dengan yakin mengatakan bahwa setidaknya ada puluhan sistem seperti itu di setiap galaksi seukuran Bima Sakti.


Rentang LIGO Lanjutan dan kemampuan deteksi BH-nya

Selain itu, data x-ray kami menunjukkan adanya sejumlah besar BH ganda. Mungkin ada jauh lebih banyak daripada lubang hitam besar yang diakui oleh LIGO. Dan ini bahkan tidak menghitung data yang menunjukkan keberadaan BH yang tidak berada dalam sistem biner dengan kedekatan satu sama lain, yang, kemungkinan besar, adalah mayoritas. Jika di galaksi kita ada lusinan sistem biner BH dengan massa menengah (10-100 matahari), maka ada ratusan sistem massa kecil (3-15 surya) di dalamnya, dan setidaknya ribuan BH yang terisolasi (bukan milik sistem biner) massa. sebanding dengan matahari.

Saya menekankan - "setidaknya".



BH sangat sulit dideteksi. Kita dapat melihat lokasi yang paling aktif, paling masif, dan paling ekstrem. BH jatuh spiral dan bergabung satu sama lain baik-baik saja, tetapi jumlah konfigurasi yang diharapkan agak kecil. Chandra hanya membedakan yang paling masif dan aktif, tetapi sebagian besar BH tidak memiliki massa yang jutaan atau miliaran kali lebih tinggi daripada yang surya, dan sebagian besar BH raksasa ini saat ini tidak aktif. Para BH yang bisa kita lihat harus membuat sebagian kecil dari apa yang sebenarnya ada di ruang angkasa, tidak peduli seberapa spektakuler proses yang kita amati.


Apa yang kita anggap sebagai ledakan radiasi gamma bisa saja lahir selama penggabungan bintang-bintang neutron yang mengeluarkan materi ke Semesta, menciptakan unsur-unsur terberat yang diketahui dan pada akhirnya menghasilkan BHs

Tetapi kami memiliki cara untuk mendapatkan perkiraan jumlah dan distribusi BH yang baik: kami tahu bagaimana mereka terbentuk. Kita tahu bagaimana menjadikannya dari bintang muda dan masif menjadi supernova, dari bintang neutron yang tumbuh karena pertambahan atau penggabungan, dan dari tabrakan langsung. Meskipun sinyal optik untuk membuat BH tidak jelas, kami telah melihat cukup banyak bintang, kematian bintang, bencana alam, dan proses pembentukannya dalam seluruh sejarah Semesta untuk menghitung dengan tepat jumlah yang kita butuhkan.


Sisa-sisa Supernova yang timbul dari bintang besar meninggalkan objek yang runtuh: baik lubang hitam atau bintang neutron, yang terakhir juga menjadi lubang hitam di masa depan dalam kondisi yang sesuai

Ketiga metode untuk memperoleh BH ini, jika kita melacak evolusi mereka kembali ke awal, ke area besar pembentukan bintang. Untuk mendapatkan:

1. Supernova, Anda akan membutuhkan bintang 8-10 kali lebih besar dari Matahari. BH akan menjadi 20-40 kali lebih besar dari bintang, bintang neutron akan diperoleh dari bintang yang lebih kecil.
2. fusi bintang neutron atau pertambahan ke BH, Anda membutuhkan dua bintang neutron yang mendekat secara spiral atau bertabrakan secara acak, atau bintang neutron yang menghisap massa dari bintang pendamping dan melewati batas 2,5-3 massa matahari yang diperlukan untuk menjadi BH.
3. keruntuhan langsung dalam BH, Anda perlu mengumpulkan cukup banyak materi di satu tempat untuk mendapatkan bintang ~ 25 kali massa Matahari, dan kondisi yang sesuai untuk pembentukan BH (tanpa penampilan supernova).

Foto inframerah Hubble yang terlihat dan dekat memperlihatkan sebuah bintang masif, sekitar 25 kali ukuran Matahari, yang menghilang dari langit tanpa supernova atau penjelasan lainnya. Runtuhnya langsung adalah satu-satunya penjelasan yang masuk akal.

Kita dapat mengukur bintang-bintang yang terletak tidak jauh dari kita dan memperkirakan berapa banyak bintang yang muncul ternyata merupakan massa yang cocok untuk kemudian berubah menjadi lubang hitam. Sebagai hasilnya, kita mendapatkan bahwa hanya sekitar 0,1 - 0,2% dari semua bintang yang dekat dengan kita memiliki massa yang cukup untuk setidaknya berubah menjadi supernova, dan sebagian besar dari mereka berubah menjadi bintang neutron. Sekitar setengah dari sistem yang muncul diperoleh dua kali lipat, dan dalam sebagian besar sistem seperti yang kami temukan, massa bintang dapat dibandingkan satu sama lain. Dengan kata lain, sebagian besar dari 400 miliar bintang yang telah terbentuk di galaksi kita tidak akan pernah menjadi lubang hitam.


Klasifikasi spektral modern bintang Morgan-Kinan dan interval suhu masing-masing kelas (dalam kelvin). Sebagian besar (75%) bintang modern adalah kelas M, dan hanya 1 dari 800 yang memiliki massa cukup untuk menjadi supernova

Tetapi ini tidak menakutkan, karena secara umum beberapa bintang akan menjadi BH. Lebih penting lagi, sejumlah besar bintang, kemungkinan besar, telah berubah menjadi lubang hitam di masa lalu. Di mana pun pembentukan bintang terjadi, ada distribusi massa: di sana tampak beberapa bintang bermassa besar, jauh lebih banyak bintang bermassa sedang, dan sejumlah besar bintang bermassa kecil. Ada begitu banyak dari mereka yang kelas M (kurcaci merah), yang massanya dari 8 hingga 40% dari massa Matahari, milik 3 dari setiap 4 bintang yang terletak di dekat kita. Dalam banyak gugus bintang baru, hanya ada sedikit bintang bermassa besar: yang berubah menjadi supernova. Tetapi di masa lalu di Galaksi ada daerah pembentukan bintang, yang jauh lebih besar dan memiliki massa yang jauh lebih besar daripada yang kita lihat di Bima Sakti hari ini.


Pembibitan bintang terbesar dalam kelompok lokal, Nebula Tarantula , membanggakan bintang terbesar yang dikenal umat manusia. Ratusan dari mereka suatu hari nanti (dalam beberapa juta tahun mendatang) akan menjadi lubang hitam.

Foto di atas menunjukkan wilayah terbesar pembentukan bintang dalam kelompok lokal dengan berat sekitar 400.000 matahari. Ada ribuan bintang panas dan sangat biru di wilayah ini, yang ratusan di antaranya kemungkinan berubah menjadi supernova. Di suatu tempat, 10-30% dari mereka akan menjadi lubang hitam, dan sisanya akan menjadi bintang neutron. Mengingat bahwa:

• di galaksi kita di masa lalu ada banyak situs seperti itu,
• area terbesar pembentukan bintang terkonsentrasi di sekitar lengan spiral dan menuju pusat galaksi,
• dan bahwa hari ini kita mengamati pulsar (sisa-sisa bintang neutron) dan sumber radiasi gamma, kemungkinan besar adalah lubang hitam,

maka kita bisa membangun peta lokasi black hole.



Satelit Fermi NASA telah membangun peta energi tertinggi alam semesta dengan resolusi tertinggi yang pernah dibuat. Peta BH galaksi cenderung menunjukkan penyebaran objek yang sedikit lebih besar dan berubah menjadi jutaan sumber titik individual

Ini adalah peta Fermi dari langit penuh, mengumpulkan semua sumber radiasi gamma. Itu terlihat seperti peta bintang galaksi kita, kecuali bahwa cakram galaksi lebih ditandai di atasnya. Selain itu, sumber yang lebih tua berhenti memancarkan sinar gamma, sehingga sumber radiasi ini muncul relatif baru-baru ini.

Dibandingkan dengan kartu ini, kartu BH akan:

• Lebih terkonsentrasi ke pusat galaksi;
• Lebar lebarnya sedikit lebih;
• Mengandung tonjolan galaksi;
• Terdiri dari sekitar 100 juta objek, plus atau minus satu urutan.

Jika Anda menggabungkan peta Fermi (di atas) dan peta inframerah Galaxy dari COBE (di bawah), Anda akan mendapatkan distribusi kuantitatif BH di Galaxy kami.


Galaksi dalam cahaya inframerah, foto dari satelit COBE. Meskipun hanya bintang yang terlihat di atasnya, BH akan memiliki distribusi yang sama, meskipun lebih banyak dikompresi ke bidang Galaxy dan lebih cenderung ke tonjolan

Lubang hitam adalah benda nyata dan tersebar luas, dan sebagian besar di antaranya sunyi, sehingga saat ini mereka sulit dideteksi. Semesta telah ada sejak lama, dan meskipun hari ini kita dapat melihat sejumlah besar bintang, sebagian besar dari semua bintang yang ada dalam jumlah besar - lebih dari 95% di antaranya - telah mati. Kemana mereka pergi? Sekitar seperempat dari mereka menjadi BH, dan jutaan dari mereka masih ada, bersembunyi di Galaksi kita, dan di galaksi lain persentase mereka secara kasar sesuai dengan kita.


Sebuah lubang hitam dari satu miliar massa matahari memberi makan jet sinar-X di pusat galaksi M87, tetapi mungkin ada satu miliar BH lain di galaksi itu. Mereka akan terakumulasi terutama menuju pusat.

Dalam galaksi elips, BH akan berkumpul dalam kerumunan elips dan terakumulasi lebih dekat ke pusat, seperti halnya bintang-bintang. Banyak BH yang pada akhirnya akan bermigrasi ke sumur gravitasi di pusat galaksi karena " segregasi massa " - jadi, tampaknya, BH supermasif telah menjadi supermasif. Namun sejauh ini kami tidak memiliki bukti langsung dari skenario ini; jika kita tidak memiliki cara untuk mengamati langsung BH yang tenang, kita tidak akan pernah tahu pasti. Tapi dari apa yang kita ketahui, ini adalah gambar terbaik dari semua yang bisa kita gambar. Itu konsisten, meyakinkan, dan semua bukti tidak langsung menunjukkannya.


Penyerapan cahaya gelombang milimeter yang dipancarkan oleh elektron yang menyelinap di medan magnet yang kuat yang diciptakan oleh BH supermasif dalam galaksi mengarah pada munculnya titik gelap di pusat galaksi ini. Bayangan menunjukkan bahwa awan dingin gas molekul jatuh di lubang hitam

Dengan tidak adanya kemungkinan pengamatan langsung, inilah yang dapat diandalkan sains, dan ini membawa kita pada kesimpulan yang menarik: untuk setiap seribu bintang yang kita lihat hari ini, ada sekitar satu BH rata-rata, terletak, kemungkinan besar, di bagian ruang yang lebih padat. Akurasi yang baik untuk menjawab pertanyaan tentang apa yang hampir sepenuhnya tidak terlihat!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia Alam Semesta tidak bertepatan dengan jari-jari bagian yang diamati .