Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности (ОТО), созданной Альбертом Эйнштейном. Эта теория рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени. В 1915 году Карл Шварцшильд сделал из уравнений ОТО удивительный вывод. Допустим, что существует объект невообразимой плотности: при массе Земли он будет иметь радиус порядка одного сантиметра, а при массе Солнца — несколько километров. Тогда тяготение этого сверхплотного монстра свернет вокруг него пространство-время. В этой искривленной геометрии прямые линии, по которым движутся лучи света, превратятся в замкнутые кольца. По ним свет и будет путешествовать, никогда не добираясь до удаленного наблюдателя. Вот почему ничто, даже свет, не сможет вырваться наружу из этого кокона.
Но откуда возьмется этот аттракцион невиданной плотности? Какая сила может сжать звезду до размера в несколько километров? Черные дыры долго казались абсурдом, теоретическим курьезом. Скепсис по их поводу выражал и сам Эйнштейн.
Однако в 1930-1960-хх гг. теоретики доказали, что черные дыры могут возникать при взрыве самых массивных звезд (массой более 30 солнц). В конце жизни такое светило взрывается как сверхновая. При этом внешние слои звезды улетают в космос, а ядро стремительно сжимается и превращается в черную дыру.
Пламя над бездной
Пока теоретики искали черные дыры в дебрях своих выкладок, наблюдатели совершенно неожиданно нашли их в космосе. Удивительно, но всепоглощающие невидимки оказались светильниками космического масштаба.
Дело в том, что у черной дыры «короткие руки». Поверхность, из-под которой не может вырваться никто и ничто, имеет вполне конкретный радиус. Измеренный в километрах, он равен утроенной массе черной дыры, измеренной в массах Солнца. Все, что находится дальше, может со временем упасть в черную дыру, но может и ускользнуть. А уж свет и другое излучение ускользает с легкостью.
В центрах галактик есть сверхмассивные черные дыры массой от миллионов до десятков миллиардов солнц. Некоторые из них окружены плотным облаком вещества, которое они с удовольствием поглощают. Потоки материи, кружащие над черной дырой, но еще не пересекшие «границу невозврата», сталкиваются друг с другом и разогреваются трением до огромных температур. Раскаленный газ ярко светится в рентгеновском, а иногда и в других диапазонах. В результате светимость некоторых черных дыр достигает сотен триллионов солнц, превращая их в мощнейшие источники излучения во Вселенной.
Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик были открыты в 1960-х гг. Правда, осторожные ученые далеко не сразу признали, что это именно черные дыры, а не какие-то другие тела. Окончательные доказательства были получены уже в этом столетии. В 2008 году Райнхард Генцель и Андреа Гез доказали, что объект в центре нашей собственной Галактики может быть только черной дырой (за что и получили Нобелевскую премию по физике 2020 года, вместе с теоретиком Роджером Пенроузом). А в 2019 году коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) исследовала центральную черную дыру галактики M87. Тогда астрономы впервые в истории получили настолько детальное изображение (в радиоволнах), что разглядели саму черную дыру, а не просто падающее на нее вещество.
Сегодня наблюдателям известны миллионы сверхмассивных черных дыр, открытые благодаря их излучению. Но считается, что в центре практически каждой крупной галактики (а их в видимой Вселенной сотни миллиардов) есть собственный сверхмассивный монстр, просто большинство из них уже исчерпало запасы вещества и перестало светиться. Правда, до сих пор не вполне понятно, как образуются такие громадины.
Танцы со звездами
А как же черные дыры, которые получаются из ядер массивных звезд? Они тоже испускают рентгеновские лучи, если поглощают материю. Вот только эти крошки редко могут похвастаться королевской трапезой. Черная дыра звездной массы может устроить себе пир, только медленно поглощая звезду-спутник. Если этот светило-компаньон располагается слишком близко, мощная гравитация черной дыры буквально растягивает его, делая похожим не на шар, а на картофелину, и отрывает его вещество по кусочку.
Сами по себе звездные пары — явление заурядное. Но они редко бывают настолько тесными, чтобы черная дыра получила шанс на каннибальский обед. Вот почему наблюдателям-«рентгенологам» известно лишь несколько десятков черных дыр звездной массы, хотя первая из них была найдена еще в 1970-х. Теоретически же в одном только Млечном Пути должны быть сотни миллионов черных дыр, возникших из взорвавшихся звезд.
Есть и еще один способ находить черные дыры звездной массы благодаря их спутникам. Он не требует, чтобы черная дыра пожирала своего компаньона. Нужно лишь внимательно следить за движением звезды. Так можно зафиксировать, что светило обращается вокруг чего-то невидимого, и вычислить массу невидимки. Если последняя тяжелее трех солнц, она может быть только черной дырой: для нейтронной звезды это слишком большая масса, а обычная звезда светилась бы.
Потенциально таким способом можно обнаружить множество космических невидимок. Но он требует уж очень тщательных наблюдений, поэтому пока подарил нам лишь несколько черных дыр. Кстати, совсем недавно ученые впервые применили его к объекту за пределами Галактики. Они обнаружили черную дыру массой 9–13 солнц в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. Правда, для этого потребовалось два с лишним года наблюдений на VLT, самом большом оптическом телескопе в мире. Ранее черные дыры звездной массы за пределами Млечного Пути находили только благодаря рентгеновскому излучению или гравитационным волнам.
Сотрясение пространства и времени
Кстати, о последних. Гравитационная волна — это искажение пространства-времени. Она меняет само расстояние между точками пространства. Но не надейтесь, оседлав волну, сократить путь до работы: эти колебания невероятно малы. Теоретически гравитационная волна возникает всегда, когда физическое тело движется с ускорением, даже если это падающее на пол перышко. На практике же даже самые чувствительные современные детекторы различают гравитационное «эхо» лишь таких космических катаклизмов, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд. Немудрено: под действием этого «гравитационного цунами» даже километровые расстояния меняются меньше чем на радиус протона! Установки, фиксирующие подобные колебания — настоящее чудо инженерного искусства.
Первый «сезон охоты» на гравитационные волны, принесший какие-то результаты, состоялся в 2015-2016 гг. Он проводился с помощью американского детектора LIGO (стоившего, кстати, $365 млн). Тогда физики зафиксировали три столкновения черных дыр. После этого детектор остановили, чтобы повысить его чувствительность. И не зря: во втором сезоне (2016–2017 гг) было зафиксировано уже семь столкновений черных дыр и одно столкновение нейтронных звезд. Отметим, что с этого сезона к LIGO присоединился европейский детектор VIRGO. Но ученые не остановились на достигнутом и снова модернизировали установки. В результате сезон 3a (апрель–сентябрь 2019 года) принес уже 44 события, то есть они регистрировались чаще, чем раз в неделю. И совсем недавно исследователи подвели итоги сезона 3b (ноябрь 2019-го – март 2020 гг.). Зафиксировано 35 событий, в том числе первые столкновения черных дыр с нейтронными звездами. О 18 из этих 35 «космических ДТП» ученые ранее сообщали по горячим следам, а об остальных 17 они отчитались впервые. К слову, ближе к концу этого сезона к поискам присоединился третий и пока последний детектор — японский KAGRA.
Таким образом, на сегодня зафиксировано около 90 столкновений черных дыр друг с другом или (гораздо реже) с нейтронными звездами. Для каждой отдельной галактики это чрезвычайно редкое событие. Но детекторы обозревают пространство на сотни миллионов световых лет, и в их поле зрения попадает множество галактик.