อย่างที่คุณทราบ หลุมดำนั้นตรวจจับได้ยากมาก เพราะมันมีสีดำเท่ากับพื้นที่รอบๆ เราสามารถระบุตำแหน่งของหลุมดำได้ในสถานการณ์พิเศษเท่านั้น เช่น เมื่อมันปล่อยก๊าซออกจากดาวฤกษ์ใกล้เคียงหรือรวมเข้าด้วยกัน ปล่อยกระแสคลื่นความโน้มถ่วง แล้วหลุมดำมีกี่หลุม? เพื่อตอบคำถามนี้ นักดาราศาสตร์ต้องหันไปใช้การคำนวณทางทฤษฎีเพื่อทำการประมาณการ
ส่วนประกอบของหลุมดำ
ในการสร้างหลุมดำ คุณต้องสร้างดวงดาว เพราะหลุมดำเกิดจากการที่ดาวตาย ดังนั้น หากต้องการทราบว่ามีหลุมดำอยู่ในจักรวาลกี่หลุม นักวิจัยจึงต้องถอยกลับไปสองสามก้าว
ขั้นตอนแรกคือการสร้างแบบจำลองวิวัฒนาการของกาแล็กซีที่มีประวัติศาสตร์จักรวาลยาวนานนับพันล้านปี กาแล็กซีเป็นบ้านของดวงดาว และวิวัฒนาการโดยรวมของกาแล็กซีส่งผลต่อจำนวนดาวในแต่ละประเภทที่ปรากฏขึ้นภายในดาราจักร ตัวอย่างเช่น กาแลคซีบางแห่งสามารถสร้างดาวดวงใหม่ได้อย่างสม่ำเสมอทุกปี คนอื่นๆ อาจประสบการควบรวมกิจการซึ่งก่อให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์ที่รุนแรงอย่างเหลือเชื่อ แต่จากนั้นก็หมดไฟและไม่ทำอะไรเลย
นักดาราศาสตร์ได้สังเกตสถิติของกาแลคซีตลอดช่วงเวลาของจักรวาล โดยสังเกตแนวโน้มทั่วไปในอัตราการรวมตัวของดาราจักรและข้อมูลประชากร ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งคือสิ่งที่เรียกว่า "โลหะ" ของดาราจักร ซึ่งเป็นตัววัดปริมาณธาตุอื่นที่ไม่ใช่ไฮโดรเจนและฮีเลียมภายในดาราจักร (นักดาราศาสตร์เรียกพวกมันว่า "โลหะ") ดาราจักรขนาดใหญ่มีก๊าซมากขึ้น ซึ่งทำให้พวกมันก่อตัวดาวฤกษ์ได้มากขึ้น แต่โลหะจำนวนมากขึ้นสามารถปรับปรุงการระบายความร้อนของแก๊สได้ ซึ่งจะช่วยให้กาแล็กซีผลิตดาวดวงใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
สูตรหลุมดำ
การใช้หน่วยการสร้างเหล่านี้ นักดาราศาสตร์มีแบบจำลองของประชากรดาวในกาแลคซี่ที่บอกพวกเขาว่าดาวขนาดเล็ก กลาง และใหญ่จำนวนเท่าใดปรากฏในจักรวาล จากนั้นพวกเขาก็จำเป็นต้องติดตามวิวัฒนาการ - และที่สำคัญที่สุด - ความตาย - ของดาวเหล่านี้ ในการทำเช่นนี้ พวกเขาหันไปใช้การสร้างแบบจำลอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง (มวลและความเป็นโลหะของมัน) กับอายุขัยและความตายที่เป็นไปได้ มีเพียงเศษเสี้ยวของดาวฤกษ์ที่ใหญ่ที่สุดที่ให้กำเนิดหลุมดำ และการจำลองนี้บอกนักดาราศาสตร์ว่าดาวในกาแลคซี่ดับไปกี่เปอร์เซ็นต์ในแต่ละปี
นักดาราศาสตร์จึงต้องติดตามวิวัฒนาการของระบบดาวคู่ เนื่องจากหลุมดำสามารถดูดกลืนดาวฤกษ์พี่น้องของพวกมัน และเติมก๊าซเข้าไป ดังนั้น หลุมดำที่ก่อตัวขึ้นในระบบเลขฐานสองจะกลายเป็นขนาดใหญ่กว่าหลุมดำที่เกิดเพียงลำพังในที่สุด
เมื่อหลุมดำมีอายุมากขึ้น พวกมันยังคงกินก๊าซที่อยู่รอบๆ ซึ่งนักดาราศาสตร์ก็ชื่นชมเช่นกัน ในที่สุดบางครั้งหลุมดำก็พบกันในความมืดของอวกาศระหว่างดวงดาวและรวมเข้าด้วยกัน ดังนั้น เพื่อทำการสำรวจที่แม่นยำ นักดาราศาสตร์ต้องประเมินอัตราการรวมตัวของหลุมดำในแต่ละดาราจักร
สำรวจสำมะโนหลุมดำขนาดใหญ่
เมื่อรวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน นักดาราศาสตร์ก็สามารถติดตามจำนวนประชากรของหลุมดำได้เป็นเวลาหลายพันล้านปี พวกเขาสร้างสิ่งที่เรียกว่า "ฟังก์ชันมวล" ซึ่งเป็นการสำรวจสำมะโนทางดาราศาสตร์ว่าหลุมดำแต่ละขนาดมีอยู่กี่หลุมในช่วงเวลาหนึ่งๆ
ไม่น่าแปลกใจที่หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดที่เรียกว่าหลุมดำมวลมหาศาลนั้นหายากกว่าหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่ามาก นักวิจัยพบว่าในทุกลูกบาศก์เมกะพาร์เซกของอวกาศ (โดยที่เมกะพาร์เซกคือ 1 ล้านพาร์เซกหรือ 3,26 ล้านปีแสง) จักรวาลของเรามีหลุมดำประมาณ 50 ล้านหลุมที่มีมวลของดวงอาทิตย์ หากหลุมดำแต่ละหลุมมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายเท่า แสดงว่าหลุมดำแต่ละหลุมมีปริมาตรเท่ากันประมาณ 10 ล้านหลุม
ในมุมมองนี้ ปริมาณมวลรวมในหลุมดำอยู่ที่ประมาณ 10% ของมวลที่มีอยู่ในดาว ดังนั้นในบรรดาดวงดาวทั้งหมดที่คุณเห็นในท้องฟ้ายามค่ำคืน มีหลุมดำจำนวนมากซ่อนอยู่ ในทางกลับกัน หลุมดำมวลมหาศาลนั้นหายากมาก และแต่ละกาแล็กซีมักเป็นที่อยู่ของสัตว์ประหลาดเหล่านี้เพียงตัวเดียวเท่านั้น โดยรวมแล้ว หลุมดำคิดเป็น 1% ของสสารแบริออน (ไม่มืด) ในจักรวาลในปัจจุบัน
อ่าน: