Nova studija procenjuje da u posmatranom univerzumu postoji oko 40 kvintiliona crnih rupa mase zvezda (≈4×1019 objekata). Autori navode da one zajedno sadrže blizu 1% barionske materije i da većinu mase čine objekti od ≈20–50 M☉. Najteži primerci verovatno nastaju kroz dinamičke interakcije u gustim zvezdanim klasterima, što pomaže da se objasne LIGO/Virgo detekcije iznad ≈40 M☉.
Univerzum Može Sadržati Oko 40 Kvintiliona Crnih Rupa — Nova Procena Povezuje Zvezde, Galaksije i Gravitacione Talase
Astronomers estimate 40 quintillion stellar black holes fill the observable universe and hold nearly 1% of ordinary matter. (CREDIT: Shutterstock)
Nova studija sugeriše da u posmatranom univerzumu može postojati oko 40 kvintiliona (4×1019) crnih rupa nastalih iz zvezda. Prema autorima predvođenim Alexom Sicilijom (SISSA), zbirna masa tih objekata može da sačuva blizu 1% sveukupne obične (barionske) materije u kosmosu.
Schematics showing the main steps to compute the stellar BH relic mass function. This is obtained by integration over redshift of the BH cosmic birthrate, which is in turn determined via the convolution of the galactic and the stellar terms. (CREDIT: Alex Sicilia et al, The Astrophysical Journal)
Kako su došli do procene
Umesto da broje pojedinačne detekcije, istraživači su rekonstruisali istoriju formiranja zvezda i galaksija da bi procenili koliko su crnih rupa nastajale tokom vremena. Kombinovali su detaljan model zvezdne i binarne evolucije (kod SEVN) sa podacima i modelima star-forming stopa, metaliciteta i distribucije galaksija kroz kosmičku istoriju. Takav pristup omogućava ab initio računanje funkcije razmera i gustine mase crnih rupa mase zvezda.
The galactic term dṀ★/dV dlogZ of Equation (4) expressing the amount of SFR (color-coded) per unit comoving volume as a function of redshift z (on x-axis) and of metallicity Z (on y-axis). The black horizontal line highlights the solar value Z☉. (CREDIT: Alex Sicilia et al, The Astrophysical Journal)
Ključni rezultati
Broj i gustoća: Procena ukupnog broja je ~4×1019 crnih rupa mase zvezda u posmatranom univerzumu. U lokalnom kosmosu oni doprinose približno 50 miliona masa Sunca po kubnom megaparseku, što je manje od, ali blizu, 1% lokalne barionske materije.
The stellar term dN•/dM_SFR dlog m• of Equation (7) expressing the number of BHs per unit star-formed mass (color-coded) as a function of BH mass m• (on the x-axis) and of metallicity Z (on the y-axis). (CREDIT: Alex Sicilia et al, The Astrophysical Journal)
Raspon masa: Analiza obuhvata crne rupe od približno 5 do 150 masa Sunca. Modelirana funkcija mase je relativno ravna između ~5 i ~50 M☉, nakon čega naglo opada; najveći doprinos ukupnoj gustini dolazi iz opsega ~20–50 M☉.
The stellar BH cosmic birthrate dṄ/dV dlog m• (color-coded) as a function of redshift z (on the x-axis) and BH mass m• (on the y-axis). (CREDIT: Alex Sicilia et al, The Astrophysical Journal)
Uloga metaliciteta i kosmičke istorije
Metalitet (udeli elemenata težih od H i He) snažno utiče na formiranje ostataka masivnih zvezda jer menja gubitak mase kroz vetrove i tokove binarne evolucije. Pri većim redshiftima, gde je prosečan metalitet niži, model predviđa češće stvaranje crnih rupa od ~30–50 M☉, dok su manje (<20 M☉) ređe.
Zašto imamo teške crne rupe?
Model koji uključuje samo izolovanu binarnu evoluciju dobro se slaže sa distribucijom masi koalescirajućih crnih rupa koju beleže LIGO/Virgo do primarnih masa od ~40 M☉. Ipak, iznad te vrednosti zabeleženo je više teških objekata nego što takva evolucija lako objašnjava. Uključivanje dinamičkih procesa u gustim zvezdanim klasterima — gde ponovljene gravitacione interakcije, razmene partnera i višestruka spajanja podstiču nastanak težih rezultata — popravlja slaganje modela sa opažanjima.
Veza sa formiranjem supermasivnih crnih rupa
Autori navode da zvezdane crne rupe prisutne već pri redshiftima ≳6 mogu delovati kao "light seeds" (svetla semena) za dalji rast i eventualno doprineti nastanku mnogo masivnijih objekata. Njihovi modeli proizvode značajnu populaciju semenskih crnih rupa ispod ~150 M☉ u ranoj fazi univerzuma.
„Inovativnost ovog rada leži u povezivanju detaljnog modela zvezdne i binarne evolucije sa naprednim recepturama za formiranje zvezda i obogaćivanje metalima u galaksijama“, rekao je Alex Sicilia.
Zaključak
Procena od ~40 kvintiliona crnih rupa nije samo brojka — ona povezuje živote masivnih zvezda, istoriju galaksija i detekcije gravitacionih talasa, i pomaže da se objasne najteži primerci u LIGO/Virgo opservacijama. Iako su crne rupe teško detektabilne direktno, modelирование populacije kroz kosmičku istoriju daje snažan uvid u njihovu ulogu u evoluciji univerzuma.
Rad je objavljen u The Astrophysical Journal. Model koristi kod SEVN i poredi se sa podacima LIGO/Virgo/KAGRA.
Pomozite nam da budemo bolji.
