在我们的宇宙中有4×10^19个黑洞

    天文学家已经首次创造了一个数据驱动的在我们的宇宙中有多少个黑洞的估计：比任何人预期的都更多。

STARTS WITH A BANG — OCTOBER 30, 2023

Ethan Siegel

 

通过窥视球状星团NGC 6397的内部，许多天文学家正在期望来发现一个中等质量黑洞。相反，只一个更小质量的黑洞的团被发现，正如在这位艺术家的印象中描述的那样。天文学家终于正在接近在宇宙内关于黑洞的质量函数和分布。Credit: ESA/Hubble, N. Bartmann

关键要点

    天文学家之前已经试图来估计宇宙中黑洞的数量，但只有不完整的信息来与之工作：主要的关于恒星和恒星种群。

    自2015年以来，随许多经由引力波来的黑洞的所有新发现和探测，天文学家终于接收了关于宇宙中黑洞种群的直接信息。

    通过将关于恒星、黑洞、恒星和宇宙演化的信息都一起结合，天文学家有宇宙中黑洞的第一个强健的估计：4×10^19个。这几乎超出所有人预期的。

    黑洞是奇妙的天体，但在那里有多少个呢？

因电影《星际穿越》闻名，这个一个黑洞被看到在一个高度弯曲的空时中相对于它的吸积盘的边缘的描画显示一个黑洞的实在的空时弯曲的能力。接近事件地平线但仍在事件地平线之外，对该位置的一个观察者与一个远离主引力场之外的观察者时间以一个截然不同速度流逝。宇宙中黑洞的数量以及黑洞的质量函数仍在被调查中。Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

    大多数黑洞当大质量恒星结束它们的生命时形成。

这张图像以与哈勃窄带摄影相同的颜色成像，显示NGC 6888：新月星云。也被称为考德威尔27和夏普莱斯105，这是天鹅座中的一个发射星云，被来自一颗单一的沃尔夫-拉叶星的快速恒星风形成。这颗恒星的命运：超新星、白矮星或一个直接坍塌的黑洞，还没有被确定。Credit: J-P Metsävainio (Astro Anarchy)

    这些恒星在核坍塌超新星事件中死亡。

一颗非常大质量恒星整个它的生命的解剖，在一个II型（核坍塌）超新星中当核耗尽核燃料时达到终点。聚变的最后阶段通常是硅燃烧，在一颗超新星跟着发生之前仅短暂在核中产生铁和类铁元素。质量最大的核坍塌超新星通常造成黑洞的创造，而更小质量的超新星只创造中子星。Credit: Nicolle Rager Fuller/NSF

    有些留下中子星，但更大质量的留下残余的黑洞。.

超新星类型作为一个初始恒星质量和比氦更重的元素的初始含量（金属含量）的函数。请注意，第一批恒星占据图表的底行，不含金属，黑色区域对应直接坍塌的黑洞。对现代恒星，我们不确定至于是否创造中子星的超新星与创造黑洞的超新星根本上是相同的还是不同，以及是否在它们之间自然界中存在一个“质量间隙”。然而，黑洞的形成是几乎造成所有超新星场景的一个合理的结束。Credit: Fulvio314 / Wikimedia Commons

    中子星合并补充黑洞种群。

我们知道当两颗中子星合并时，正如这里仿真的那样，它们能创造伽马射线暴喷射以及其他电磁现象。但也许，在某个质量阈值以上，一个黑洞被形成，在那里两颗恒星在第二块面板中碰撞，然后所有额外的物质和能量都被捕获，没有逃逸信号。Credit: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

    偶尔，恒星也直接的坍塌：（可能的）留下黑洞。

来自哈勃望远镜的可见光/近红外照片显示一颗质量约为太阳质量25倍的大质量恒星已经眨眼出了存在，没有超新星或其他解释。直接坍塌是唯一合理的候选解释，并且是除了超新星或中子星合并之外是首次来形成黑洞的一种已知方式。Credit: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

    尽管我们已经量化整个宇宙历史的恒星形成，但黑洞“分数”仍然不确定。

这个银河系中心附近恒星的20年时过来自在2018年发布的欧洲南方天文台。请注意，这些特征的分辨率和灵敏度朝向结束多锐化和改善的，它们都围绕着我们银河系的（不可见的）中心超大质量黑洞运行。实际上，甚至在早期，每个大星系都被认为宿主一个超大质量黑洞，但仅银河系中心的那个是足够近来看到单个恒星围绕它的运动，从而准确地确定黑洞的质量。宇宙中黑洞的实际数量密度，以及它们的数量密度为一个质量的函数，仍然只被贫瘠的估计，仍然有大的不确定性。Credit: ESO/MPE

    然而，自引力波天文学黎明以来，所有这一切变化了。

这张鸟瞰图显示位于路易斯安那州的激光干涉仪引力波天文台利文斯顿探测器的主要科学中心，一个一路下到它的4公里长的探测器臂之一的观望窥视。被在华盛顿东部的韩福特激光干涉仪引力波天文台补充，这两个探测器不仅把我们带到第一个引力波探测，而且比所有其他努力的总和发现的引力波还要多。Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

    激光干涉仪引力波天文台和处女座已经探测到数十个黑洞，为我们提供我们的第一次准普查。

截至 2021 年11 月（在激光干涉仪引力波天文台第三次数据运行结束之后，但在第四次数据运行开始之前），所有电磁上和引力波观测到的黑洞和中子星的最新图。虽然这些包括从1个太阳质量多一点对最轻的中子星到100个太阳质量的天体对合并后的黑洞天体的质量，但引力波天文学目前只对一组非常狭窄的天体敏感。直到2022年11月发现盖亚BH1为止，最近的黑洞已经都被发现为X射线双。中子星和黑洞之间的质量“边界”仍在被确定中。Credit: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern

    恰当的估计黑洞合并确保我们不多数它们。

两个黑洞的向内螺旋和合并发射的引力波的数值仿真。每个黑洞周围的彩色轮廓代表引力辐射的振幅，蓝线代表黑洞的轨道，绿色箭头代表它们的自旋。通过一个弯曲的空时区域加速一个质量的行为将始终导致引力波的发射，甚至对地球 - 太阳系统。Credit: C. Henze/NASA Ames Research Center

    这些数据还支持对宇宙中黑洞的数量密度（按质量计算）的估计。

由于信号幅度的质量依赖性，黑洞-黑洞合并的先进激光干涉仪引力波天文台的范围（紫色）是远远大于中子星-中子星合并的范围（黄色）。范围中的一个因素10的差值对应一个体积的因子1000的差值，以便即便低质量黑洞的数量密度远远超过高质量黑洞，激光干涉仪引力波天文台和处女座对更远距离更高质量系统更敏感。Credit: LIGO Scientific Collaboration/Beverly Berger, NSF

    最大的不确定性位于最低的黑洞质量：10个太阳质量及以下。

仅通过引力波合并（蓝色）和X射线发射（品红色）发现的黑洞的种群。正如你能看到的，在20个太阳质量以上的地方没有可认可的间隙或空无，但在5个太阳质量以下，缺乏一个源。这帮助我们理解中子星-黑洞合并不太可能来产生所有中最重的元素，但中子星-中子星合并能，也能造成一个黑洞的形成。在大约2到5个太阳质量之间黑洞和/或中子星的群，在黑洞质量范围的最低端是最大的不确定性位于的地方。Credit: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern

    将所有这些信息带到一起，天体物理学家已经估计了宇宙黑洞质量函数。

该图显示估计的在不同宇宙纪元（不同颜色）黑洞的质量函数作为这些黑洞的质量（x轴）的函数。通过对整个宇宙时间和整个可观测宇宙进行积分获得的数字导致一个在我们的宇宙中4×10^19个黑洞的估计。Credit: A. Sicilia et al., ApJ, 2022

    他们得出结论，所有都告诉了在今天的宇宙内存在4×10^19个黑洞。

这张图像显示球状星团特尔咱5（Terzan 5）的核，距离我们银河系仅22000光年，之内有恒星固有的多种颜色和质量。尽管这些恒星中的许多将在未来大约100亿到200亿年内燃烧殆尽，但有些恒星将持续远更长时间。最近的一项研究提示，可能多达1-2%的恒星将导致黑洞的形成：这个数字比以前已经假设的要多得多。Credit: ESA/Hubble & NASA, R. Cohen

    这相当于所有恒星的1-2%最终形成黑洞：高于之前的所有估计。

宇宙中的整体黑洞质量密度由蓝色实线给出，被估计约为宇宙中恒星质量密度的10%。尽管黑洞的总数大体上被质谱低端的不确定性驱动，但整体质量密度主要由20-50个太阳质量之间的黑洞统治。Credit: A. Sicilia et al., ApJ, 2022

    如果被证实，这隐含黑洞包含宇宙能量预算的0.04%。

这张大约0.15平方度的空间观望揭示许多有大量的星系一起聚集在团块和细丝中的区域，有很大的间隙或空隙分隔开它们。每个光点都不是一个星系，而是一个超大质量黑洞，揭示这些宇宙天体是多么无处不在。通过估计跨宇宙时间黑洞的质量函数，研究人员对“超大质量黑洞的种子”问题有一个提示性的解决方案，提示传统的天体物理学可能已经诞生了我们在所有宇宙时间观察到的天体。Credit: NASA/Spitzer/S-CANDELS; Ashby et al. (2015); Kai Noeske

    大多静音的星期一以图像、视觉效果和不超过 200 字讲述一个天文故事。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/40-quintillion-black-holes-in-universe/