От звёздных до сверхмассивных чёрных дыр: почему говорят о массе, а не весе, и как её определяют.
Вес и масса — разные понятия
В быту спрашивают, сколько чёрная дыра весит, но физически сравнивают массу. Вес — сила в заданном гравитационном поле, а для космического объекта такая постановка неоднозначна. Массу выражают в массах Солнца и выводят по движению окружающего вещества или пространства-времени.
Звёздные чёрные дыры
Они возникают при коллапсе массивных звёзд и обычно имеют от нескольких до десятков солнечных масс. В двойной системе период и скорость обычной звезды ограничивают массу невидимого компаньона. Рентгеновское излучение показывает аккрецию, но само по себе не даёт точной массы.
Сверхмассивные объекты
В центрах галактик массы достигают миллионов и миллиардов солнечных. Их определяют по орбитам звёзд, скоростям газа, мазерным дискам или задержкам спектрального отклика. Чем дальше система, тем сильнее метод зависит от модели и разрешения.
Гравитационные волны
При слиянии форма сигнала кодирует массы и вращения двух объектов. После излучения волн масса остатка меньше суммы исходных масс: разность ушла в энергию. Такой метод открыл популяцию, которую трудно увидеть электромагнитно.
Масса не означает бесконечное притяжение
За пределами объекта поле определяется массой и расстоянием. Если Солнце заменить чёрной дырой той же массы, орбита Земли почти не изменилась бы, хотя исчез свет. Экстремальны области рядом с горизонтом, а не всё пространство вокруг.
Горизонт растёт с массой
У невращающейся чёрной дыры радиус Шварцшильда составляет примерно три километра на солнечную массу. Поэтому объект в десять солнечных масс имеет масштаб десятков километров, а центральная чёрная дыра галактики — миллионы километров и больше. Плотность, полученная делением массы на объём этого радиуса, у сверхмассивных объектов может быть неожиданно низкой, но внутри нет обычного однородного вещества.
Почему наблюдают компаньона
Чёрная дыра не даёт спектральных линий поверхности. В двойной системе наклон орбиты критичен: измеренная функция массы задаёт нижнюю границу, а затмения, форма света и спектр компаньона уточняют геометрию. Неверная масса видимой звезды или дополнительный свет меняют вывод, поэтому кандидаты проходят долгую проверку.
Промежуточный диапазон
Между звёздными и сверхмассивными объектами ищут чёрные дыры сотен–сотен тысяч солнечных масс. Ультраяркие рентгеновские источники, движения в скоплениях и события приливного разрушения дают кандидатов. Некоторые подтверждения сильны, но популяция и происхождение остаются менее ясными, чем у двух основных классов.