Чёрные дыры впервые были обнаружены… на листке бумаги, на котором священник пытался определить параметры звезды, которая была бы настолько «тяжёлой», что свет не смог бы покинуть её.

Закон всемирного тяготения (ЗВТ) Ньютона стал краеугольным камнем классической физики. Простота закона поистине гениальна – для определения силы, с которой притягиваются два точечных тела, нужно знать только их массы и расстояние между ними.

Однако Закон Всемирного Тяготения вовсе не примитивен, он позволяет описать очень сложные взаимодейстивия. Вот простейший пример: два незакреплённых тела притягиваются друг к другу и начинают сближаться. Что произойдёт дальше? Расстояние между ними уменьшится, и это значит, что сила взаимного притяжения возрастёт, и так далее – до тех пор, пока они не упадут друг на друга.

А если учесть, что массивные точечные тела в природе – исключительная редкость, то Закон всемирного тяготения и вовсе перестаёт быть элементарным. Взять хотя бы приливы, возникающие из-за разности сил, с которыми Луна притягивает воду на полюсах и экваторе. Тут «точками», то есть объектами без длины, ширины и высоты, не обойтись.

Несмотря на то, что ЗВТ достаточно точно описывает взаимодействие объектов он ничего не говорит о причине, почему это взаимодействие возникает? Как говорят физики, ЗВТ имеет сугубо описательный характер (феноменологический). Впрочем, это обстоятельство не должно вас слишком огорчать. Большая часть «школьной» физики оперирует именно с феноменологическими закономерностями, оставляя глубинное понимание далеко-далеко «на потом». Точно так же обстояло дело с ЗВТ в истории физики, понять природу этого закона смогли намного позже его открытия.

Потребовалось три столетия и целое созвездие гениев – Риман, Лаплас, Лагранж, Пуанкаре, Лоренц, Эйнштейн и другие – для того, чтобы «кухня» тяготения начала приоткрывать свои секреты. Для этого понадобилось пересмотреть многие фундаментальные, сами собой разумеющиеся, понятия. А первым в этом ряду (после Ньютона, естественно) был Мичелл, священник из йоркширской деревушки Торнхилл.

Именно Джон Мичелл в 1783 году написал письмо и отправил в Лондонское Королевское общество по развитию знаний о природе (англ. – The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge). Правда, это послание по каким-то причинам было обнаружено только спустя два столетия – в 1984 году. Удивительным было и содержание письма, речь в нём шла о «чёрных дырах». Только сам Мичелл называл их «тёмными звёздами», не имея понятия ни о теории относительности, ни о двойственной природе света. В его распоряжении были только «простой» Закон всемирного тяготения и блестящий разум. Как же рассуждал этот замечательный учёный? Попробуем восстановить ход его мыслей, а заодно – и знаменитого маркиза де Лапласа, пришедшего самостоятельно к аналогичным результатам.

Предположим, у нас есть пушка, способная стрелять вертикально (сейчас подобное орудие называется зенитным, то есть стреляющим в зенит, точку небесной сферы прямо над нашей головой). На какую высоту может подняться пушечное ядро? Очевидно, что она зависит от начальной скорости снаряда, массы и радиуса Земли (именно эти параметры определяют величину ускорения свободного падения). К подобному заключению можно прийти и самостоятельно (неплохое, кстати, упражнение для тренировки интеллекта).

Частица находится в ньютоновском поле тяготения, так же она имеет начальную скорость (кинетическую энергию). Вся эта система, согласно условиям Мичелла, находится в равновесии, следовательно, можно применить закон сохранения энергии:

откуда следует

Если предположить, что скорость частицы равна скорости света (v = c), то радиус r будет равен

А может ли снаряд вовсе улететь и не вернуться на Землю? Очевидно, что вполне возможно при определённой скорости, да и расчёты, проведённые Мичеллом, это подтверждают. Такая скорость называется скоростью убегания (мы привыкли называть её второй космической) и зависит только от массы Земли и её радиуса. Великолепно, но не более того: к подобному выводу приходили и многие другие учёные. Но Мичелл сделал ещё один шаг, свидетельствующий о его незаурядности. Он «перевернул» задачу, спросив: а при каких параметрах свет Солнца или любой другой звезды не сможет преодолеть «родительское» притяжение?

Ответом стал так называемый гравитационный радиус, прямо пропорциональный массе звезды и обратно пропорциональный квадрату скорости объекта-«беглеца», будь то камень, пушечное ядро, спутник или частица света (от его массы всё равно ничего не зависит). В случае со светом мы получаем «тёмную звезду», невероятный объект, наглухо «закупоренный» в своём гравитационном поле. Как позже писал Лаплас, пришедший к такому же выводу, «звезда с плотностью равной плотности Земли и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца, не даёт световому лучу достичь нас благодаря своему тяготению, а потому не исключено, что самые яркие тела во Вселенной по этой причине невидимы».

Интересно, догадывались ли почтенные прихожане, слушая воскресные проповеди патера Мичелла, о том, насколько тот опередил своё время?! И сколько приобрела бы наука, избери преподобный другую стезю? Остаётся только догадываться и фантазировать, а в реальности Джон Мичелл предположил, что «тёмные» звёзды почти наверняка входят в состав двойных и тройных звёздных систем, вынуждая видимых «соседок» двигаться по «неправильным» траекториям. Предположение весьма разумное и до сего дня нисколько не устаревшее.

К несчастью, о «тёмных звёздах» забыли на целое столетие, отнеся их к разряду теоретических диковин. К тому же XIX век стал временем торжества волновой теории света, в рамках которой гравитация ни на что не влияла. А под занавес столетия многие маститые физики и вовсе заговорили о «конце науки»: мол, всё уже открыто, остались мелкие шероховатости вроде подтверждения теории светоносного эфира и растолкования странностей излучения абсолютно чёрного тела.

И здесь вспоминается афоризм замечательного польского сатирика Станислава Ежи Леца: «В действительности всё было не так, как на самом деле». Стройное здание физики, с таким трудом воздвигнутое учёными прошлых поколений, на деле оказалось всего лишь маленькой пристройкой к грандиозному дворцу-лабиринту мироздания, в коридорах которого мы блуждаем и по сей день.

Для появления полноценной теории «чёрных дыр» понадобилось новое понимание гравитации, изложенное в теории относительности Эйнштейна. В ней практически все постулаты классической механики подверглись коренному пересмотру, вступая в очевидное противоречие с ежедневным опытом. Недаром школьная программа по физике, подробно рассматривая классические положения науки по состоянию на начало XX века, практически не касается физики релятивистской (и тем более квантовой), то есть связанной с взаимодействием на скоростях, близких к скорости света.

Простейший принцип сложения скоростей и тот оказывается неверен в приложении к свету. Пусть, например, две машины едут навстречу со скоростью по 50 км в час. С какой скоростью они движутся относительно друг друга? Ответ элементарен и абсолютно понятен: 100 км/час, и по-другому быть просто не может. Заменим машины на лучи света (его скорость – 300 тыс. км/с). Изменилось ли что-то принципиально? Наверное, нет, но только результат будет совершенно другим: относительная скорость будет равна совсем не 600 тысячам километров в секунду, а все тем же 300 тысячам.

И это касается самой что ни на есть «азбуки», основы основ, релятивистской физики! Что тогда говорить о действительно сложных вещах вроде искривления пространства-времени, вызываемого действием гравитационных масс? Его и представить-то себе сложно… И тем не менее математическая модель теории относительности (и специальной, и общей) разработана достаточно подробно, и главное – неоднократно и достоверно подтверждена результатами различных экспериментов. В самом элементарном представлении смысл общей теории относительности сводится к простому утверждению: «механика» притяжения – искривление пространства, искажающее траектории прямолинейного равномерного движения любых объектов, обладающих энергией (ведь в определённом смысле энергия и масса эквивалентны).

Новая теория гравитации Эйнштейна вызвала настоящий шквал интереса, ничуть не меньший, чем ЗВТ Ньютона в своё время. Её следствия. во многом парадоксальные, сразу же подверглись серьёзной проверке. Взять, например, экспедицию, организованную в 1919 году выдающимся астрономом Артуром Эддингтоном, целью которой стала проверка эффекта отклонения световых лучей в сильных гравитационных полях. При всём своём британском консерватизме и скептицизме Эддингтон обнаружил, что положение звёзд вблизи солнечного диска (зафиксированное во время полного затмения на острове Принсипи у побережья Западной Африки) отличается от обычного точно на предсказанную Эйнштейном величину – 0,8 угловой секунды в пределах двух радиусов Солнца.

Современная модель «чёрных дыр», разработанная в ходе анализа следствий общей теории относительности, была создана замечательным астрономом и физиком Карлом Шварцшильдом в 1916 году.

Шварцшильд попытался рассчитать радиус гипотетической сферы на границе которой сила притяжения будет стремиться к бесконечности для заданной массы объекта. Например, масса Земли равна 6 х 10²⁴, её радиус Шварцшильда равен 10^-2м. Как видно, размеры объекта и радиус Шварцшильда не всегда совпадают. Но если объект «сожмется» до размеров меньше чем искомый радиус, то излучение или частицы этого тела не смогут преодолеть поле тяготения. Тем самым мы получим «черную дыру».

Гравитационный радиус Шварцшильда – своеобразный порог небытия, на котором вторая космическая скорость достигает световой. Внешний наблюдатель не сможет узнать о процессах, происходящих внутри сферы данного радиуса (однако он может на них повлиять, запустив в космическую мишень что-нибудь тяжёленькое). Поэтому поверхность сферы называется горизонтом событий.

Разумный обитатель внутреннего пространства «дыры» (допустим такую сумасбродную идею) находится в несколько ином положении. Теоретически он – обладатель всей втягиваемой в «дыру» материи, под которой надо понимать не только вещество в виде атомов, молекул и множества элементарных частиц, но и поля, действие и взаимодействие которых скрепляет всё сущее во Вселенную. В определённом смысле в «дыру» втягивается и вся возможная информация об окружающем пространстве и всех событиях, которые произошли (и произойдут) в прилегающих областях космоса. Однако никакого способа воспользоваться ею и попытаться что-то изменить снаружи, нет. Так что догмат об «информации, которая решает всё», по крайней мере, в одном случае неверен.

Считается, что внутри «чёрной дыры» вещество спрессовано до умопомрачительных плотностей. На самом деле существует естественный предел – это внутриядерная плотность, достигаемая плотной упаковкой нуклонов (протонов и нейтронов) и равная 100 миллионам (!) тонн на один кубический сантиметр. Превысить его в рамках современных воззрений о структуре вещества невозможно, и потому опасаться превращения нашей планеты в «чёрную дыру» (как усердно пугала пресса перед запуском Большого адронного коллайдера) вряд ли целесообразно. Радиус Шварцшильда для Земли – менее сантиметра, правда, и масса её в космических масштабах ничтожна, но плотность такой микропланеты должна на несколько порядков превысить ядерную.

Другое дело – «чёрные дыры» в центрах галактик вроде недавно обнаруженного колосса в галактике NGC 1600, в рамках начатого в 2014 году проекта MACS (MAssive Cluster Survey) по исследованию 100 соседних (в пределах 350 миллионов световых лет) галактик с массами не менее чем 300 миллиардов солнечных масс. Это небесное «чудовище» в 17 миллиардов раз тяжелее Солнца (так же по массе соотносятся песчинка и 25-метровый диплодок, один из крупнейших динозавров). А вот плотность его, согласно проведённым расчётам, сравнима с плотностью... воздуха! И кто знает, что творится там внутри, за горизонтом событий?