Như bạn đã biết, lỗ đen rất khó phát hiện vì chúng cũng đen như không gian xung quanh. Chúng ta chỉ có thể xác định chính xác vị trí của các lỗ đen trong những trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như khi chúng phóng khí từ một ngôi sao gần đó hoặc hợp nhất với nhau, giải phóng một luồng sóng hấp dẫn. Vậy có bao nhiêu lỗ đen? Để trả lời câu hỏi này, các nhà thiên văn học phải chuyển sang tính toán lý thuyết để đưa ra các ước tính.
Thành phần của một lỗ đen
Để tạo ra một lỗ đen, bạn cần phải tạo ra các ngôi sao, bởi vì các lỗ đen được tạo ra bởi sự chết của các ngôi sao. Do đó, để tìm ra có bao nhiêu lỗ đen trong vũ trụ, các nhà nghiên cứu đã phải lùi lại một vài bước.
Bước đầu tiên là mô hình hóa sự tiến hóa của các thiên hà trong hàng tỷ năm lịch sử vũ trụ. Rốt cuộc, các thiên hà là nơi cư trú của các ngôi sao và sự tiến hóa tổng thể của chúng ảnh hưởng đến số lượng các ngôi sao của mỗi loại xuất hiện bên trong chúng. Ví dụ, một số thiên hà có thể liên tục hình thành các ngôi sao mới năm này qua năm khác. Những người khác có thể gặp phải sự hợp nhất tạo ra sự hình thành sao cực kỳ mạnh mẽ, nhưng sau đó cháy hết và không có gì đáng chú ý.
Các nhà thiên văn đã quan sát số liệu thống kê của các thiên hà trong suốt thời gian vũ trụ, ghi nhận xu hướng chung về tỷ lệ sáp nhập thiên hà và nhân khẩu học. Một yếu tố quan trọng khác là cái gọi là "tính kim loại" của một thiên hà, là thước đo số lượng các nguyên tố khác ngoài hydro và heli bên trong thiên hà (các nhà thiên văn gọi chúng là "kim loại"). Các thiên hà lớn hơn có nhiều khí hơn, cho phép chúng hình thành nhiều ngôi sao hơn. Nhưng nhiều kim loại hơn có thể cải thiện việc làm mát khí, từ đó giúp các thiên hà tạo ra các ngôi sao mới hiệu quả hơn.
Công thức lỗ đen
Sử dụng các khối xây dựng này, các nhà thiên văn học có một mô hình về quần thể sao trong các thiên hà cho họ biết có bao nhiêu ngôi sao nhỏ, trung bình và lớn xuất hiện trong vũ trụ. Và sau đó họ cần lần theo dấu vết quá trình tiến hóa - và quan trọng nhất là cái chết - của những ngôi sao này. Để làm điều này, họ chuyển sang mô hình hóa, liên hệ các đặc tính của một ngôi sao cụ thể (khối lượng và tính kim loại của nó) với thời gian tồn tại và khả năng chết của nó. Chỉ một phần nhỏ các ngôi sao lớn nhất sinh ra lỗ đen và mô phỏng này cho các nhà thiên văn biết tỷ lệ các ngôi sao trong thiên hà bị tắt mỗi năm.
Các nhà thiên văn sau đó đã phải theo dõi sự tiến hóa của các hệ nhị phân, vì các lỗ đen có thể ăn các ngôi sao anh chị em của chúng, bổ sung khí cho chúng. Do đó, một lỗ đen được hình thành trong một hệ nhị phân cuối cùng sẽ lớn hơn một lỗ đen được sinh ra một mình.
Khi lỗ đen già đi, chúng tiếp tục ăn vào bất kỳ loại khí nào xung quanh, điều mà các nhà thiên văn học cũng đánh giá cao. Cuối cùng, đôi khi các lỗ đen tìm thấy nhau trong bóng tối của không gian giữa các vì sao và hợp nhất với nhau. Do đó, để thực hiện một cuộc khảo sát chính xác, các nhà thiên văn đã phải ước tính tỷ lệ các vụ sáp nhập hố đen trong mỗi thiên hà.
Một cuộc điều tra dân số lớn về các lỗ đen
Kết hợp tất cả lại với nhau, các nhà thiên văn học có thể theo dõi dân số của các lỗ đen trong hàng tỷ năm. Họ đã tạo ra một cái gọi là "hàm khối lượng", là một loại điều tra thiên văn về số lượng lỗ đen với kích thước từng tồn tại tại bất kỳ thời điểm nào.
Không có gì ngạc nhiên khi các lỗ đen lớn nhất, được gọi là lỗ đen siêu lớn, hiếm hơn nhiều so với các lỗ đen nhỏ hơn của chúng. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng trong mỗi megaparsec khối không gian (trong đó megaparsec là 1 triệu parsec, hay 3,26 triệu năm ánh sáng), vũ trụ của chúng ta chứa khoảng 50 triệu lỗ đen có khối lượng bằng Mặt trời. Nếu mỗi lỗ đen có khối lượng gấp vài lần Mặt trời, điều này có nghĩa là khoảng 10 triệu lỗ đen riêng lẻ có cùng thể tích.
Nói một cách dễ hiểu, tổng khối lượng chứa trong các lỗ đen bằng khoảng 10% khối lượng chứa trong các ngôi sao. Vì vậy, trong số tất cả các ngôi sao bạn nhìn thấy trên bầu trời đêm, có rất nhiều lỗ đen ẩn náu. Mặt khác, các lỗ đen siêu lớn lại cực kỳ hiếm và mỗi thiên hà thường chỉ là nơi sinh sống của một trong những quái vật này. Tổng cộng, lỗ đen chiếm khoảng 1% tổng số vật chất baryonic (không tối) trong vũ trụ ngày nay.
Đọc thêm:
- Một lỗ đen đã được phát hiện trong một cụm sao bên ngoài thiên hà của chúng ta
- Các nhà vật lý vô tình tạo ra một khám phá mới về lỗ đen