Энциклопедия Кольера называет черными дырами область в пространстве, возникшую в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий».

Теория относительности Эйнштейна является первым ключом к пониманию черных дыр. Она утверждает, что гравитация влияет на время. Чем более массивный объект в космосе, тем больше он замедляет время. Гравитация же черной дыры настолько огромна, что она практически останавливает ход времени. Если снаружи черной дыры наблюдать, как падает космический корабль, то можно увидеть, что он все больше и больше замедляется и, в конце концов, исчезает.

Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Но это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды. Если, например, наше Солнце станет черной дырой, планеты будут и дальше вращаться по своей орбите, как и сегодня.

Черные дыры, на самом деле формируется из сверхмассивных звезд, масса которых, по крайней мере, в десять раз больше, чем наше Солнце. Когда горят звезды, в процессе синтеза выделяется сплав водорода. Данная ядерная реакция производит давление, которое позволяет выталкивать из центра водоворота звезды, и противодействует силе тяжести, которая тянет ее обратно внутрь. Эти две силы идеально сбалансированы, что позволяет звезде не разрушиться. Когда она исчерпывает свой запас водородного топлива, баланс нарушается.

Массивные звезды погибают и в результате взрыва, образуется сверхновая звезда. Что происходит после этого, зависит от ее массы. Большинство из них остаются позади ядра, именуемого Белым Карликом. Оно обычно окружено постоянно расширяющейся оболочкой газа. В некоторых, редких случаях масса звезды настолько велика, что гравитация черной дыры будет тянуть ее тело очень сильно, после чего она может стать крошечной, компактным объектом, известным как нейтронная звезда. Но в очень редких случаях, существует так много массы в звезде, что гравитация буквально сходит с ума.

Ничто во Вселенной не может остановить распад. Звезда коллапсирует в самой себе и останавливается только тогда, когда занимает определенную точку в пространстве. Она в буквальном смысле перестает существовать. Однако при этом, оставляя за собой массу и силу тяжести. Теперь это еще одна черная дыра, один из самых необычных объектов в космосе.

Когда супермассивная звезда коллапсирует в черную дыру, она не становиться настолько маленькой, чтобы больше не иметь никакого физического размера. Это ее плотная, уменьшенная модель, но при этом содержащая то же количество массы, что и исходная звезда. Главная особенность черной дыры – это то, что известно как сингулярность, и она определяет ее центр. Область, где фундаментальные законы физики и самой ткани пространства прекращают свое существование. Сингулярность – это невидимый барьер, называемый горизонтом событий. Он знаменует собой появление внешней границы черной дыры, проявляющимся экстремальным гравитационным притяжением. Это точка, откуда нет возврата. Все, что пересекает горизонт событий, даже свет, обречен.

Горизонтом событий является точка, в которой вторая космическая скорость равна скорости света. Внутри черной дыры эта скорость превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто и не может вырваться из пределов горизонта событий. Как только объект очутится за его пределами, его ожидает сингулярность. Поскольку гравитация возрастает все больше при такой высокой скорости, она действует на части этого объекта. Подобные приливные силы видоизменяют сам объект, который, впоследствии будет протянут в длинную и тонкую струну, после чего перестанет существовать во Вселенной.

Поскольку свет не может вырваться из массивных животных силков, он не может быть виден. Поэтому чтобы искать черные дыры, можно полагаться только на косвенные доказательства их существования. Одним из способов поиска черной дыры, являются нахождение областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов, астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики.

На самом деле большинство астрономов теперь считают, что супер массивная черная дыра может существовать в центре нашей галактики Млечный Путь. Означает ли это, что она в конечном итоге все поглотит? На самом деле, нет. Черная дыра имеет ту же массу, что и оригинальные звезды, потому как была сформирована из них. Пока ничего не предвещает слишком близкого приближения к горизонту событий, так что это безопасно. Вполне вероятно, что миллиарды звезд в нашей галактике будет продолжать орбиту вокруг этой гигантской черной дыры миллиарды лет вперед. Доказательства этой и других черных дыр может быть подтверждены с помощью функции поиска для рентгеновских лучей. Астрономы полагают, что черные дыры излучают их в большом количестве.

Многие из звезд в нашей галактике существуют как двойные звездные системы, в которых одна из звезд может становиться черной дырой. Когда это произойдет, черная дыра может начать сосать все на своем пути независимо от другой звезды. Эта материя кружится вокруг нее, формируясь как диск ускорения, двигаясь все быстрее и быстрее по мере приближения к центру. Считается, что эта материя испускает излучения в виде рентгеновских лучей, и как только они как это входит в черную дыру, материя начинает разрушаться.

Карл Шварцшильд был первым, кто применил общую теорию относительности Эйнштейна, для того, чтобы обосновать существование «точки невозврата». Сам Эйнштейн не задумывался о черных дырах, хотя его теория позволяет предсказать их существование. Шварцшильд сделал свое предположение в 1915 году, сразу вслед за тем, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Тогда же возник термин «радиус Шварцшильда» – это величина, которая показывает, как сильно вам придется сжать объект, чтобы он стал черной дырой.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно, при достаточной степени сжатия. Чем плотнее объект, тем более сильное гравитационное поле он создает. Мысль о том, что черные дыры могут порождать новые Вселенные кажется абсурдной (тем более, что мы все еще не уверены в существовании других Вселенных). Тем не менее, подобные теории активно разрабатываются учеными.

Очень упрощенная версия одной из этих теорий заключается в следующем. Наш мир обладает исключительно благоприятными условиями для появления в нем жизни. Если бы какие-либо из физических констант изменились хотя бы чуть-чуть, нас бы не было в этом мире. Сингулярность черных дыр отменяет обычные законы физики и может (по крайней мере, в теории) породить новую Вселенную, которая будет отличаться от нашей.

Черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто в 1974 году и было названо излучением Хокинга (по имени Стивена Хокинга, сделавшего открытие). Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.

Черные дыры генерируют энергию лучше, чем Солнце и другие звезды. Это связано с материей, вращающейся вокруг них. Преодолевая горизонт событий на огромной скорости, материя на орбите черной дыры разогревается до крайне высоких температур. Это называется излучением абсолютно черного тела. Для сравнения, при ядерном синтезе в энергию превращается 0,7% материи. Вблизи черной дыры энергией становятся 10% материи!

Пространство можно представить себе как растянутую резиновую пластинку с нарисованными на ней линиями. Если на пластинку положить какой-нибудь объект, она изменит свою форму. Так же работают и черные дыры. Их экстремальная масса притягивает к себе все, включая свет (лучи которого, продолжая аналогию, можно было бы назвать линиями на пластинке).

Единственное отличие нашего Солнца от черной дыры – сила гравитации. В центре черной дыры она намного сильнее, чем в центре звезды. Если бы наше Солнце было сжато до примерно пяти километров в диаметре, оно могло бы быть черной дырой. Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же мы знаем, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.

Возможно, вы думаете, что человека, попавшего в черную дыру, ждет мгновенная смерть. В действительности же его судьба может оказаться намного более удивительной. Что произойдет с вами, если вы попадете внутрь черной дыры? Может быть, вы думаете, что вас раздавит – или, наоборот, разорвет на клочки? Но в действительности все гораздо страннее. В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вас мгновенно испепелит, в другой же – вы нырнете вглубь черной дыры живым и невредимым.

Черные дыры – не просто опасные объекты на пути межзвездных экспедиций, но и теоретические лаборатории, в которых малейшие вариации в физических законах вырастают до таких размеров, что ими уже невозможно пренебречь. Если где-то и таится истинная природа реальности, искать ее лучше всего в черных дырах. Но пока у нас нет четкого понимания того, насколько безопасен для человека горизонт событий, наблюдать за поисками безопаснее все же снаружи.

Большинство полагает, что открытие существования чёрных дыр – заслуга Альберта Эйнштейна. Однако Эйнштейн закончил свою теорию к 1916-му году, а Джон Митчелл обдумывал эту идею ещё в далёком 1783-м. Она не нашла применения потому, что этот английский священник просто не знал, что с ней делать. Митчелл начал разрабатывать теорию чёрных дыр, когда принял идею Ньютона, согласно которой свет состоит из маленьких материальных частиц, называемых фотонами. Он размышлял о движении этих световых частиц и пришёл к выводу, что оно зависит от гравитационного поля звезды, которую они покидают. Он пытался понять, что произойдёт с этими частицами, если гравитационное поле будет слишком большим, чтобы свет мог его покинуть. Митчелл также является основателем современной сейсмологии. Он предположил, что землетрясения распространяются в земле подобно волнам.

Мы обычно думаем, что всё чёрные дыры по сути одно и то же. Однако астрономы недавно выяснили, что их можно разделить на несколько разновидностей. Есть вращающиеся чёрные дыры, черные дыры с электрическим зарядом и чёрные дыры, включающие черты первых двух. Обычные чёрные дыры возникают путём поглощения материи, а вращающаяся чёрная дыра образуется путём слияния двух таких дыр. Эти чёрные дыры расходуют намного больше энергии из-за возросшего возмущения пространства. Заряженная вращающаяся чёрная дыра действует как ускоритель частиц.

Чёрным дырам необходимо быть чрезмерно массивными при невероятно маленьких размерах, чтобы создавать достаточно большую силу притяжения для сдерживания света. К примеру, если сделать чёрную дыру массой равной массе Земли, то получится шарик с диаметром всего 9 мм. Чёрная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, может уместиться в пространство между Меркурием и Солнцем. Чёрные дыры в центре галактик могут иметь массу, превышающую массу Солнца от 10 до 30 миллионов раз. Такая большая масса на таком маленьком пространстве означает, что чёрные дыры имеют невероятно большую плотность, и силы, действующие внутри них, также очень сильны.

Всё, что окружает чёрную дыру, затягивается в эту бездну и одновременно с этим ускоряется. Горизонт событий разгоняет частицы почти до скорости света. Во время пересечения материей центра горизонта событий возникает булькающий звук. Этот звук является преобразованием энергии движения в звуковые волны. В 2003-м году астрономы с помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра зафиксировали звуковые волны, исходящие от сверхмассивной чёрной дыры, находящейся на расстоянии 250 миллионов световых лет.

Когда что-либо (это может быть и планета, и звезда, и галактика, и частица света) проходит достаточно близко от чёрной дыры, то этот объект неизбежно будет захвачен её гравитационным полем. Если что-то ещё воздействующее на объект, скажем, на ракету, сильнее силы притяжения чёрной дыры, то он сможет избежать поглощения. До тех пор, конечно, пока оно не достигнет горизонта событий. Точки, после которой покинуть чёрную дыру уже невозможно. Для того, чтобы покинуть горизонт событий, необходимо развить скорость, большую чем скорость света, а это невозможно.

Это тёмная сторона чёрной дыры – если уж свет не может её покинуть, то мы никогда не сможем заглянуть внутрь. Учёные полагают, что даже маленькая чёрная дыра разорвёт вас на куски задолго до того, как вы проскочите через горизонт событий. Сила притяжения тем больше, чем вы ближе к планете, звезде или чёрной дыре. Если вы летите к чёрной дыре вперёд ногами, то сила притяжения в ваших ступнях будет намного больше, чем в голове. Это и разорвёт вас на части.

Чёрные дыры засасывают всю окружающую массу. Внутри чёрной дыры всё это прессуется настолько сильно, что пространство между отдельными элементами атомов сжимается, и в результате образуются субатомные частицы, способные вылетать наружу. Эти частицы вырываются из чёрной дыры благодаря линиям магнитного поля, пересекающим горизонт событий. Выделение частиц создаёт энергию довольно эффективным способом. Преобразование массы в энергию этим путём в 50 раз намного более эффективно, нежели ядерный синтез.

Однажды известный астрофизик, Карл Саган, сказал: во Вселенной больше звёзд, чем песчинок на пляжах всего мира. Но похоже, что во Вселенной всего 10²² звезды. Это число определяется количеством чёрных дыр. Потоки частиц, выпускаемые чёрными дырами, расширяются до пузырей, которые распространяются сквозь области формирования звёзд. Области формирования звёзд – это участки газовых облаков, которые могут охлаждаться и образовывать звёзды. Потоки частиц нагревают эти газовые облака и предотвращают появление звёзд. Это означает, что существует сбалансированное соотношение между количеством звёзд и активностью чёрных дыр. Очень большое количество звёзд расположенных в галактике сделает её слишком горячей и взрывоопасной для развития жизни, однако слишком маленькое количество звёзд также не способствует возникновению жизни.

Некоторые исследователи полагают, что чёрные дыры помогут нам при создании новых элементов, потому что они разбивают материю на субатомные частицы. Эти частицы участвуют в образовании звёзд, что в свою очередь ведёт к созданию элементов тяжелее гелия, таких как железо и углерод, необходимых для образования твёрдых планет и жизни. Эти элементы входят в состав всего, что имеет массу, а значит и нас с вами.

Очевидно, многих заботит вопрос, насколько опасна черная дыра и угрожает ли Земле хоть какая-нибудь возможность быть поглощенной этим объектом? Ответ: нет, – говорят астрономы, хотя есть определенная вероятность, что огромная сверхмассивная черная дыра прячется в центре нашей галактики. К счастью, мы достаточно далеки от этого монстра – примерно в две трети нашей галактики от центра, – но можем наблюдать его эффекты издалека. Европейское космическое агентство утверждает, что черная дыра в центре Млечного Пути в миллион раз массивнее нашего Солнца и окружена удивительно горячим газом.

Допустим, у вас есть звезда в 20 раз массивнее нашего Солнца. Наше Солнце медленно выгорает; когда ядерное топливо закончится, Солнце медленно превратится в белого карлика. Но в случае с более массивными звездами такого не происходит. Когда у них заканчивается топливо, гравитация подавляет естественное давление звезды и выдавливает ее внутрь. Когда давление ядерных реакций коллапсирует, гравитация жестоко стискивает звезду в ядро, внешние ее слои разлетаются в космосе. Это называется сверхновая. Оставшееся ядро коллапсирует в сингулярность – точку с бесконечной плотностью и с почти нулевым объемом. Сингулярность – сердце черной дыры.

Есть по меньшей мере три разных типа черных дыр, утверждает NASA, начиная от относительно небольших до тех, которые размещаются в центрах галактик. Первичные черные дыры – самые маленькие, их размеры бывают от одного атома до целой горы. Звездные черные дыры, самый распространенный тип, до 20 раз массивнее нашего Солнца. И есть монстры в центрах галактик – сверхмассивные черные дыры. Они достигают миллионов масс Солнца и больше. Как эти чудища образуются, до сих пор толком неясно.

Самой большой черной дырой во Вселенной является черная дыра, расположенная в центре галактики NGG 1277 в созвездии Персея, находящаяся на расстоянии 228 миллионов световых лет от Земли.

Cygnus X-1 впервые обнаружили во время полетов на воздушном шаре в 1960-х годах, но еще десять лет этот объект не был идентифицирован как черная дыра. По данным NASA, эта черная дыра в 10 раз более массивна, чем Солнце. Рядом с ней находится голубой звездный сверхгигант, примерно в 20 раз более массивный, чем Солнце. Черная дыра засасывает эту звезду, и та ярко светится в рентгеновском спектре.

Ошибочное измерение V4641 Sagitarii привело к появлению новостей о том, что ближайшая к нам черная дыра находится слишком близко к Земле, всего в 1600 световых годах. Недостаточно близко, чтобы создавать опасность, но намного ближе, чем думалось. Дальнейшие исследования показали, что черная дыра находится куда дальше. Глядя на вращение ее звезды-компаньона, а также на другие факторы, ученые в 2014 году предоставили более точные результаты – 20 000 световых лет.

Популярная тема для научно-фантастического сюжета – это когда кто-то падает в черную дыру. Некоторые люди считают, что эти объекты являются своего рода червоточинами, кротовыми нормами, в другие части Вселенной, позволяющими путешествовать быстрее скорости света. Но правда в том, что мы до сих пор не знаем, как описать их с точки зрения физики. У нас пока нет теории, которая объединила бы общую теорию относительности с квантовой механикой, мы не знаем всего зоопарка возможных структур пространства-времени, в которых могли бы разместиться червоточины.

Как люди в зоопарке, мы можем наблюдать за черными дырами только если находимся за пределами горизонта событий – можно представить его в качестве гравитационного поля планеты. Эта зона является точкой невозврата, если вы подойдете слишком близко, у вас уже не будет шансов спастись. Но за пределами этой области за черной дырой можно безопасно наблюдать. В более широком смысле это означает, что черная дыра вряд ли поглотит всю Вселенную (если, конечно, в нашем понимании физики космоса не произойдет серьезный переворот).

Черные дыры – единственные космические тела, способные притягивать силой гравитации свет. Они же являются самыми большими объектами Вселенной. Мы вряд ли в ближайшее время узнаем, что происходит возле их горизонта событий (известного как «точка невозврата»). Это самые таинственные места нашего мира, о которых, несмотря на десятилетия исследований, до сих пор известно очень мало.

Черные дыры – это одно из самых странных явлений во Вселенной. Во всяком случае, на данном этапе развития человечества. Это объект с бесконечной массой и плотностью, а значит и притяжением, за пределы которого не может вырваться даже свет – поэтому дыра черная. Сверхмассивная черная дыра может втянуть в себя целую галактику и не подавиться, а за пределами горизонта событий привычная нам физика начинает визжать и скручиваться в узел. С другой стороны, черные дыры могут стать потенциальными переходными «норами» из одного узла пространства в другой. Вопрос в том, как близко мы сможем приблизиться к черной дыре, и не будет ли это чревато последствиями?