Pour la troisième fois dans l'histoire, nous avons directement découvert la signature indéniable des trous noirs: les ondes gravitationnelles issues de leur fusion. Combiné avec ce que nous savons déjà sur les orbites stellaires près du centre galactique, les observations aux rayons X et radio d'autres galaxies, les mesures de la vitesse de déplacement des gaz, il est impossible de nier l'existence de trous noirs. Mais aurons-nous suffisamment d'informations, provenant de ces sources et d'autres, pour nous dire combien de trous noirs il y a dans l'univers et comment ils sont répartis?
En effet, combien de trous noirs y a-t-il dans l'Univers par rapport aux étoiles visibles?
La première chose que vous aimeriez faire est de passer à l'observation directe. Et c'est un bon début.
Carte d'exposition de 7 millions de secondes par Chandra Deep Field-South. Il y a des centaines de trous noirs supermassifs dans cette région
Notre meilleur télescope à rayons X à ce jour est l'Observatoire à rayons X Chandra. À partir de sa position sur l'orbite terrestre, il peut identifier même des photons uniques provenant de sources de rayons X éloignées. En créant des images profondes de parties importantes du ciel, il peut identifier littéralement des centaines de sources de rayons X, chacune correspondant à une galaxie lointaine au-delà de la nôtre. Sur la base du spectre d'énergie des photons reçus, nous voyons des trous noirs supermassifs au centre de chaque galaxie.
Mais aussi incroyable que soit cette découverte, il y a beaucoup plus de trous noirs dans le monde qu'un par galaxie. Bien sûr, dans chaque galaxie, en moyenne, il y a au moins des millions ou des milliards de masses solaires, mais on ne voit pas tout.
Les masses de systèmes de trous noirs binaires connus, y compris trois fusions vérifiées et un candidat à la fusion de LIGO
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LIGO a récemment annoncé sa troisième détection directe d'un puissant signal gravitationnel issu d'une fusion de trous noirs binaires, confirmant la prévalence de tels systèmes dans l'univers. Nous n'avons pas encore assez de statistiques pour obtenir une estimation numérique car le seuil d'erreur est trop élevé. Mais si nous prenons comme base le seuil actuel de LIGO et le fait qu'il trouve un signal tous les deux mois (en moyenne), nous pouvons affirmer en toute sécurité que dans chaque galaxie de la taille de la Voie lactée que nous pouvons sonder, il y en a au moins une douzaine. systèmes.
Gamme LIGO avancée et sa capacité à détecter la fusion des trous noirs
De plus, nos données radiographiques montrent qu'il existe de nombreux trous noirs binaires de masse inférieure; peut-être bien plus que ceux que LIGO peut trouver. Et cela ne prend même pas en compte les données indiquant l'existence de trous noirs, qui ne sont pas inclus dans les systèmes binaires rigides, et il doit y en avoir une majorité. Si notre galaxie possède des dizaines de trous noirs de masse moyenne et élevée (10-100 masses solaires), il doit y avoir des centaines (3-15 masses solaires) de trous noirs binaires et des milliers de trous noirs isolés (non binaires) de masse stellaire.
L'accent est mis ici sur «au moins».
Parce que les trous noirs sont si difficiles à trouver. Jusqu'à présent, nous ne pouvons voir que les plus actifs, les plus massifs et les plus proéminents. Les trous noirs qui s'enroulent et fusionnent sont excellents, mais de telles configurations devraient être cosmologiquement rares. Ceux que Chandra a vus sont les plus massifs, les plus actifs et tous, mais la plupart des trous noirs ne sont pas des monstres par millions, des milliards de masses solaires, et la plupart des grands trous noirs sont actuellement inactifs. Nous n'observons qu'une petite fraction de trous noirs, et cela vaut la peine d'être compris, malgré toute la magnificence de l'observation.
Ce que nous percevons comme une explosion de rayonnement gamma peut provenir de la fusion d'étoiles à neutrons, qui éjectent de la matière dans l'univers et créent les éléments les plus lourds connus, mais créent également un trou noir à la fin.
Et pourtant, nous avons un moyen d'obtenir une estimation qualitative du nombre et de la distribution des trous noirs: nous savons comment ils se forment. Nous savons comment les fabriquer à partir d'étoiles jeunes et massives qui deviennent des supernovae, d'étoiles à neutrons qui fusionnent, et en cours d'effondrement direct. Et bien que les signatures optiques de la création d'un trou noir soient extrêmement ambiguës, nous avons vu suffisamment d'étoiles, leurs morts, des événements catastrophiques et la formation d'étoiles tout au long de l'histoire de l'univers pour pouvoir trouver exactement les nombres que nous recherchons.
Les restes d'une supernova née d'une étoile massive laissent un objet qui s'effondre: soit un trou noir, soit une étoile à neutrons, à partir de laquelle un trou noir peut se former ultérieurement sous certaines conditions
Ces trois façons de créer des trous noirs ont toutes leurs racines, si vous les suivez jusqu'au bout, dans des régions massives de formation d'étoiles. Obtenir:
- Supernova, vous avez besoin d'une étoile qui fera 8 à 10 fois la masse du Soleil. Les étoiles plus grandes que 20 à 40 masses solaires vous donneront un trou noir; étoiles plus petites - une étoile à neutrons.
- Une étoile à neutrons fusionnant dans un trou noir a besoin soit de deux étoiles à neutrons dansant en spirale ou en collision, soit d'une étoile à neutrons aspirant la masse d'une étoile compagnon jusqu'à une certaine limite (environ 2,5-3 masses solaires) pour devenir un trou noir.
- Effondrement direct d'un trou noir, vous avez besoin de suffisamment de matériel en un seul endroit pour former une étoile 25 fois plus massive que le Soleil, et de certaines conditions pour obtenir avec précision un trou noir (pas une supernova).
Les photographies de Hubble montrent une étoile massive 25 fois plus massive que le Soleil, qui a tout simplement disparu sans supernova ou autre explication. L'effondrement direct sera la seule explication possible
Dans notre voisinage, nous pouvons mesurer, de toutes les étoiles qui se forment, combien d'entre elles ont la masse correcte pour devenir potentiellement un trou noir. Nous constatons que seulement 0,1-0,2% de toutes les étoiles proches ont une masse suffisante pour aller en supernova, la grande majorité formant des étoiles à neutrons. Cependant, environ la moitié des systèmes qui forment des systèmes binaires (binaires) comprennent des étoiles de masses comparables. En d'autres termes, la plupart des 400 milliards d'étoiles qui se sont formées dans notre galaxie ne deviendront jamais des trous noirs.
Un système de classification spectrale moderne pour les systèmes Morgan-Keenan avec la plage de température de chaque classe d'étoiles en Kelvin. La grande majorité (75%) des étoiles sont aujourd'hui des étoiles de classe M, dont seulement 1 sur 800 est suffisamment massive pour devenir une supernova
Mais ce n'est pas grave, car certains le feront. Plus important encore, beaucoup sont déjà devenus, bien que dans un passé lointain. Lorsque les étoiles se forment, vous obtenez une distribution de masse: vous obtenez quelques étoiles massives, légèrement plus grandes que la moyenne, et beaucoup d'étoiles de faible masse. Tellement que les étoiles de classe M de faible masse (naines rouges) avec une masse de seulement 8 à 40% de la masse solaire représentent les trois quarts des étoiles dans notre voisinage. Les nouveaux amas d'étoiles n'auront pas beaucoup d'étoiles massives qui pourraient devenir des supernovaes. Mais dans le passé, les régions de formation d'étoiles étaient beaucoup plus grandes et plus riches en masse que la Voie lactée ne l'est aujourd'hui.
La plus grande pépinière stellaire du groupe local, 30 Doradus dans la nébuleuse de la Tarentule, contient les étoiles les plus massives connues de l'homme. Des centaines d'entre eux (dans les prochains millions d'années) deviendront des trous noirs
Ci-dessus, vous voyez 30 Doradus, la plus grande région de formation d'étoiles du groupe local, avec une masse de 400 000 soleils. Il y a des milliers d'étoiles chaudes très bleues dans cette région, dont des centaines deviendront des supernovae. 10 à 30% d'entre eux se transformeront en trous noirs et le reste deviendra des étoiles à neutrons. En admettant que:
- il y avait beaucoup de telles régions dans notre galaxie dans le passé;
- les plus grandes régions de formation d'étoiles sont concentrées le long des bras spiraux et vers le centre galactique;
- là où l'on voit des pulsars (les restes d'étoiles à neutrons) et des sources de rayons gamma aujourd'hui, il y aura des trous noirs, - on peut faire une carte et y montrer où seront les trous noirs.
Le satellite Fermi de la NASA a cartographié les hautes énergies de l'univers en haute résolution. Les trous noirs dans une galaxie sur une carte sont susceptibles de suivre de petites éjections de dispersion et d'être résolus par des millions de sources séparées.
Voici la carte de Fermi des sources de rayons gamma dans le ciel. Elle est similaire à la carte des étoiles de notre galaxie, sauf qu'elle met fortement en évidence le disque galactique. Les sources plus anciennes ont épuisé les rayons gamma, ce sont donc des sources ponctuelles relativement nouvelles.
Par rapport à cette carte, la carte du trou noir sera:
- plus concentré au centre galactique;
- une largeur légèrement plus floue;
- inclure le renflement galactique;
- se composent de 100 millions d'objets, plus ou moins l'erreur.
Si vous créez un hybride de la carte de Fermi (ci-dessus) et de la carte de la galaxie COBE (ci-dessous), vous pouvez obtenir une image quantitative de l'emplacement des trous noirs dans la galaxie.
Galaxie visible dans l'infrarouge de COBE. Bien que cette carte montre des étoiles, les trous noirs suivront une distribution similaire, bien que plus compressés dans le plan galactique et plus centralisés vers le renflement.
Les trous noirs sont réels, communs et la grande majorité d'entre eux sont extrêmement difficiles à détecter aujourd'hui. L'univers existe depuis très longtemps, et bien que nous voyions un grand nombre d'étoiles, la plupart des étoiles les plus massives - 95% ou plus - sont mortes depuis longtemps. Que sont-ils devenus? Environ un quart d'entre eux sont devenus des trous noirs, des millions se cachent toujours.
Un trou noir des milliards de fois plus massif que le Soleil alimente un jet de rayons X au centre de M87, mais il doit y avoir des milliards d'autres trous noirs dans cette galaxie. Leur densité sera concentrée dans le centre galactique
Les galaxies elliptiques tourbillonnent des trous noirs dans un essaim elliptique qui grouille autour du centre galactique, un peu comme les étoiles que nous voyons. De nombreux trous noirs finissent par migrer vers le puits de gravité au centre de la galaxie - c'est pourquoi les trous noirs supermassifs deviennent supermassifs. Mais nous ne voyons pas encore la situation dans son ensemble. Et nous ne verrons pas tant que nous n'aurons pas appris à visualiser qualitativement les trous noirs.
En l'absence de visualisation directe, la science ne nous donne que cela et nous dit quelque chose de remarquable: pour chaque millier d'étoiles que nous voyons aujourd'hui, il y a à peu près un trou noir. Pas de mauvaises statistiques pour des objets totalement invisibles, il faut être d'accord.
ILYA KHEL
