Як дізнатися середня вага чорної діри

Чорна діра - це астрономічна область у просторі та часі, всередині якої гравітаційне тяжіння прагне до нескінченності. Щоб залишити чорну діру, об'єкти повинні досягти швидкості, набагато перевищує швидкість світла. А так як це неможливо, то навіть кванти самого світла не випромінюються з області чорної діри. З усього цього випливає, що область чорної діри абсолютно невидима для спостерігача незалежно від того, наскільки віддалено від нього вона знаходиться. Тому виявити і визначити розміри і масу чорних дір можна тільки аналізуючи обстановку і поведінку об'єктів, що знаходяться поруч з ними.

На 20 симпозіумі з релятивістської астрофізики в Техасі, що пройшов у січні 2001 року, астрономи Карл Гебхардт і Джон Корменді продемонстрували метод практичних вимірювань мас довколишніх чорних дір, що дають астрономам можливість отримання інформації про зростання чорних дір. За допомогою цього методу було відкрито і вивчено 19 нових чорних дір на додаток до вже відомих у той час 19. Всі вони є надмасивними і мають вагу від одного мільйона до мільярда сонячних мас. Знаходяться вони в центрах галактик.

Метод вимірювань мас заснований на спостереженні за переміщенням зірок і газу близько центрів їх галактик. Такі вимірювання можуть проводитися тільки при високому просторовому дозволі, яке можуть забезпечувати космічні телескопи типу Hubble або NuSTAR. Суть методу полягає в аналізі мінливості квазарів і звернення величезних газових хмар навколо діри. Яскравість випромінювання обертових газових хмар безпосередньо залежить від енергії рентгенівського випромінювання чорної діри. Так як світло має строго певну швидкість, зміни яскравості газових хмар для спостерігача видно пізніше, ніж зміна яскравості центрального джерела випромінювання. За різницею в часі обчислюється відстань від хмар газу до центру чорної діри. Разом зі швидкістю обертання газових хмар обчислюється і маса чорної діри. Однак даний спосіб включає невизначеність, оскільки не існує способу перевірити правильність кінцевого результату. З іншого боку, дані, одержувані цим методом, відповідають залежності між масами чорних дір і масами галактик.

Класичний спосіб вимірювання маси чорної діри, запропонований сучасником Ейнштейна Шварцшильдом, описується формулою M = r * c ^ 2 / 2G, де r - гравітаційний радіус чорної діри, с - швидкість світла, G - гравітаційна стала. Однак ця формула точно описує масу ізольованою, невращающейся, незарядженою і не випаровується чорної діри.

Зовсім недавно з'явився новий спосіб визначення мас чорних дір, що дав можливість відкривати і вивчати чорні діри «середнього класу». Він заснований на радіоінтерференціонном аналізі джетів - викидів матерії, що утворюються під час поглинання чорною дірою маси з навколишнього її диска. Швидкість джетів може бути вище половини швидкості світла. А так як розігнана до таких швидкостей маса випромінює рентгенівське випромінювання, вона може бути зареєстрована радіоінтерферометром. Метод математичного моделювання таких джетів дозволяє отримати більш точні значення середніх мас чорних дір.