Расчеты показывают, что такое может произойти с любой мертвой звездой с массой более чем на 20 % больше массы Солнца (то есть с массой больше 1,2 массы Солнца). Нейтронная звезда с такой массой упакована в сферу радиусом примерно 10 километров, чуть выше земных гор. Плотность вещества нейтронной звезды составляет 1014 граммов на кубический сантиметр – то есть 1 с 14 нулями, сто тысяч миллиардов. Но даже такой плотный объект – еще не черная дыра, поскольку свет с его поверхности все же может излучаться во Вселенную.
Чтобы сделать из мертвой звезды черную дыру, нужно сокрушить даже нейтроны, и это хорошо понимали теоретики начала 1960-х. Более того, согласно квантовым уравнениям даже нейтроны не выдержат веса мертвой звезды с массой больше трех масс Солнца, к тому же если после взрывной агонии массивной звезды и останется подобный объект, он полностью схлопнется и превратится в математическую точку под названием «сингулярность». Задолго до того, как коллапсирующая звезда достигнет состояния нулевого объема и бесконечной плотности, она искривит пространство-время вокруг себя, и коллапсар окажется отрезан от внешней Вселенной.
На самом деле уравнения говорят, что, если достаточно сильно сжать любое количество вещества, оно поведет себя точно так же – тоже коллапсирует.
Особая черта объектов массой больше трех масс Солнца состоит в том, что они схлопываются сами, под собственным весом. Но если бы удалось сжать наше Солнце в сферу с радиусом около трех километров, оно тоже превратилось бы в черную дыру. Как и Земля, если сжать ее примерно до сантиметра. В любом случае, если сжать объект до критического размера, гравитация возьмет верх, замкнет пространство-время вокруг объекта, и тот продолжит сжиматься в сингулярность бесконечной плотности внутри черной дыры. Однако следует отметить, что сделать черную дыру гораздо проще, если у тебя есть много массы. Критический размер не просто пропорционален количеству массы, которой вы располагаете: чем меньше сжимаемая масса, тем больше плотность, при которой формируется черная дыра.
Для каждой массы есть свой критический радиус, при достижении которого образуется черная дыра, – так называемый радиус Шварцшильда. Как показывают приведенные примеры, у менее массивных объектов радиус Шварцшильда меньше: чтобы сделать черную дыру, Землю придется сжимать сильнее, чем Солнце, а Солнце – сильнее, чем более массивную звезду. Когда черная дыра сформируется, вокруг нее возникнет поверхность (что-то вроде поверхности моря), отмечающая границу между Вселенной в целом и регионом сильно искаженного пространства-времени, откуда не может вырваться ничего. Это будет горизонт, который можно пройти только в одном направлении (в отличие от поверхности моря!): излучение и материальные частицы проходят за него без всяких затруднений и под воздействием гравитации примыкают к накапливающейся массе сингулярности, но изнутри не прорывается ничего, даже свет.
Тридцать лет назад многих математиков тревожило, что по расчетам в черной дыре обязательно должна быть сингулярность. Их смущала мысль о бесконечной плотности. Однако большинство астрономов придерживались более прагматических представлений. Прежде всего, они сомневались, существуют ли вообще черные дыры. Возможно, думали они, есть какой-то закон физики, из-за которого останки мертвой звезды не могут обладать достаточной массой, чтобы коллапсировать. И даже если черные дыры существуют, их природа такова, что заключенные в них сингулярности невозможно ни наблюдать, ни исследовать. Тогда какая разница, что гласит теория? Ведь даже если точки бесконечной плотности существуют, они скрыты за непроходимыми горизонтами!
Однако у астрономов уже тогда появился повод для беспокойства. Чтобы получить черную дыру из маленькой массы, ее нужно сжимать очень сильно; но если масса больше, сжимать можно слабее. То есть масса около 4,5 миллиардов солнечных масс превратилась бы в черную дыру, если бы сосредоточилась в пределах сферы с диаметром всего вдвое больше солнечной системы.
Казалось бы, такой массы в природе не существует, о ней и говорить смешно. Но вспомним, что в одной только нашей галактике Млечный Путь содержится сто миллиардов звезд. Подобная сверхмассивная черная дыра могла бы сформироваться всего из 5 % их общей массы. А плотность такого объекта была бы несопоставимо меньше, чем плотность атомного ядра или нейтронной звезды: всего грамм на кубический сантиметр, как у воды. То есть черную дыру можно сделать даже из воды – надо только взять ее очень много!
Понять, в чем тут дело, будет проще, если представить себе беговые дорожки. Главное в черной дыре – то, что она полностью замыкает пространство-время вокруг себя, в результате чего луч света на горизонте бесконечно кружит вокруг центральной сингулярности. Однако «орбиты» фотонов не могут быть ни слишком крутыми, ни слишком плавными. Беговые дорожки ближе к центру стадиона обычно сильно искривлены, чтобы вписать их в доступное пространство. Внешние дорожки искривлены плавнее и занимают больше места. Но в любом случае, когда бежишь по дорожке, рано или поздно возвращаешься к месту старта – описываешь замкнутую кривую. Подобным же образом черная дыра может быть очень маленькой, с тесно скрученным вокруг пространством-временем, или очень крупной, в которой лучи света лишь слегка искривляются вдоль горизонта (возможны, разумеется, и все промежуточные варианты).
В 1960-е годы космологи начали осознавать, что из этого следует, – впрочем, очень медленно. Они поняли, что вся Вселенная, вероятно, ведет себя как колоссальная черная дыра, самая большая черная дыра на свете: все в ней удерживается гравитацией, все пространство-время представляет собой самодостаточную замкнутую сущность, которая свернута вокруг себя с самой что ни на есть плавной кривизной. Но есть одно большое различие: черные дыры втягивают вещество внутрь, к сингулярности, а Вселенная расширяется вовне с момента Большого Взрыва. Вселенная – словно черная дыра, вывернутая наизнанку.
Уравнения Эйнштейна – общая теория относительности – гласят, что Вселенная не может быть статичной, она должна либо расширяться, либо сжиматься. Наблюдения показывают, что Вселенная расширяется. Что же говорят уравнения Эйнштейна о том, каковы были условия во Вселенной в далеком прошлом, когда галактики были гораздо ближе друг к другу, и еще раньше? Они гласят, что Вселенная должна была зародиться в точке бесконечной плотности – в сингулярности – около 15 миллиардов лет назад. Астрономам 1940-х и 1950-х годов было «очевидно», что это нонсенс. Если из уравнений следует сингулярность, значит, где-то в них вкралась ошибка, и кто-нибудь, несомненно, выдвинет более совершенную теорию, позволяющую избегать таких радикальных прогнозов, дайте только срок. А пока вроде бы было логично применять уравнения как они есть, если речь шла об условиях, более или менее похожих на наблюдаемые сегодня.
На сегодня самое плотное известное нам вещество – ядро атома, тесно упакованные протоны и нейтроны. Поэтому некоторые самые отчаянные сорвиголовы среди ученых решили проверить, не прояснит ли ОТО вопрос о происхождении Вселенной из состояния, в котором общая плотность была такой же, как плотность ядра атома, то есть, если угодно, о рождении Вселенной из «первичного атома», в котором, словно в нейтронной суперзвезде, содержалась вся масса Вселенной.
