Итальянские и британские ученые с помощью нового теоретического подхода сумели провести убедительные подсчеты количества обычной (барионной) материи, заключенной в черных дырах звездной массы. Согласно новой работе, их порядка 40 квинтиллионов и на них приходится около 1% массы Вселенной. Статья об этом опубликована в The Astrophysical Journal.
Вопрос о количестве черных дыр во Вселенной и сосредоточенной в них массе принадлежит к числу самых актуальных вопросов современной астрофизики и космологии. Исследователи из Италии и Великобритании, работающие под руководством профессора Андреа Лапи и доктора Люмена Боко из Международной школы передовых исследований Италии решили применить для подсчетов подход ab initio — «от начала» — без привлечения дополнительных эмпирических предположений.
Авторы сосредоточились на подсчетах черных дыр звездной массы, то есть черных дыр с массами от нескольких солнц до нескольких сотен масс Солнца, появляющихся в результате эволюции и выгорания массивных звезд.
Черные дыры звездной массы по своему происхождению кардинально отличаются от сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах всех крупных галактик. Между ними располагаются еще так называемые черные дыры промежуточной массы, а вопрос о том, возникли ли все сверхмассивные черные дыры путем слияния черных дыр звездной массы и можно ли считать «средние» черные дыры промежуточным этапом этих процессов, относится к числу дискуссионных.
Количество черных дыр звездной массы в пределах наблюдаемой Вселенной — сферы диаметром около 90 млрд световых лет — согласно новым выкладкам составляет около 40 квинтиллионов, или 40 миллиардов миллиардов объектов (4 x 1019).
«Этот важный результат был получен благодаря оригинальному подходу, сочетающему в себе современное моделирование эволюции одиночных и двойных звезд SEVN, выполненное исследователем из Международной школы передовых исследований доктором Марио Спера, с рассмотрением соответствующих физических явлений и изучением наблюдаемых свойств галактик, особенно скорости звездообразования в них, количества звездной массы и металличности межзвездной среды (все это важно для подсчетов количества и массы звездных черных дыр)», — поясняют авторы исследования. Используя эти важнейшие ингредиенты и применив новые вычислительные подходы, они получили функцию распределения количества черных дыр звездной массы на протяжении всей истории Вселенной. Под «металлами» астрофизики в своих работах обычно подразумевают все элементы тяжелее водорода и гелия.
«Инновационный характер этой работы заключается в соединении детальной модели эволюции звезд с новыми оценками по звездообразованию и обогащению металлами отдельных галактик, — заключает ведущий автор работы астрофизик Алекс Сицилия из Международной школы перспективных исследований. — Это один из первых и самых надежных подсчетов ab initio масс черных дыр звездного происхождения за всю историю астрофизики». Его слова приводятся в пресс-релизе Международной школы передовых исследований.
Впрочем, несмотря на всю важность оценки количества черных дыр в наблюдаемой Вселенной, это не единственный вопрос, поднятый в рамках нового исследования. В сотрудничестве с учеными из Падуанского университета авторы работы рассмотрели также множество различных путей образования черных дыр разных масс — из одиночных звезд, в двойных системах, тесных звездных скоплениях. Согласно их выводам, самые массивные черные дыры звездных масс возникают в основном в результате сложных динамических взаимодействий в звездных скоплениях. В частности, удалось показать, что с помощью таких событий можно объяснить функциональную зависимость масс сливающихся черных дыр, известную благодаря данным, полученным в ходе экспериментов по регистрации гравитационных волн коллаборации LIGO/Virgo.
«Новое исследование можно отнести к разряду междисциплинарных, так как оно охватывает сразу несколько аспектов звездной астрофизики — образование и эволюцию галактик, гравитационно-волновую астрофизику и др. Все это нуждалось в совместных усилиях разных академических групп, специализирующихся на астрофизике и космологии, а также в тесном взаимодействии со многими внешними сотрудниками», — замечает Андреа Лапи, который является также научным руководителем Алекса Сицилии.
Работа Алекса Сицилии выполнялась также в контексте престижного инновационного сетевого образовательного проекта BiD4BESt — применения Big Data для изучения эволюции черных дыр, соруководителем которого является профессор Андреа Лапи.