Тайны Мироздания. История открытия чёрных дыр

История открытия чёрных дыр — отличный пример того, как теория и наблюдения шаг за шагом приходят к подтверждению самых смелых идей. В 1783 году английский физик, астроном и священник, а ещё и геолог Джон Мичелл задумался: если для преодоления гравитации тел (планет, звёзд) нужна определённая скорость, которая зависит от массы тел, то, поскольку, свет имеет тоже конечную скорость (на тот период по недостаточно точному измерению датского астронома Оле Рёмера она равнялась 220 000 км/сек) могут быть тела с громадной массой, которые не дадут даже свету преодолеть силу гравитации и вырваться.  Такой объект он назвал «тёмной звездой» — он был бы невидим, но его можно было бы заметить по влиянию на соседние звёзды. Тогда, конечно, никто не говорил «чёрная дыра» (этот термин появился намного позже), но, по сути, Мичелл описал именно её.
Позже, в 1796 году, французский математик Пьер-Симон Лаплас независимо пришёл к похожим выводам и в своём научно-популярном труде «Изложение системы мира», вставил мысль: «Возможно, существуют настолько массивные звёзды, что свет от них не может улететь». Он, опираясь на рассуждения Ньютона, логично предположил, что если взять звезду, сделать её очень большой и тяжёлой, то вторая космическая скорость (та, что нужна, чтобы «убежать» от её притяжения) станет больше скорости света. И многие люди впервые из его книги узнали: оказывается, в космосе бывают вещи, которых не видно, но они точно есть! Правда, позже Лаплас убрал эту историю из новых изданий книги. И дело здесь в том, что в начале XIX века всё сильнее побеждала волновая теория света. А если свет — это волны, а не частицы, то старая логика «гравитация тормозит частицу света» уже не действовала в отношении световых волн, что вызывало определённые сомнения в возможности существования невидимых массивных звёзд, удерживающих свет… Но самое интересное здесь в том, что много лет спустя другие учёные снова вернулись к этой мысли, когда стало ясно, что свет может быть и волной и частицей (корпускулярно-волновой дуализм) — и поняли, что Лаплас был на верном пути!
Настоящий прорыв случился с появлением общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна (окончательно сформулирована к 1915 году). Ключевая идея ОТО в том, что гравитация — это не сила, а искривление пространства-времени массивными объектами. Чем больше масса, тем сильнее «прогибается» ткань Вселенной. ОТО не просто «допустила» чёрные дыры — она буквально вывела их из своих уравнений. В том же 1915 году немецкий физик Карл Шварцшильд нашёл первое точное решение уравнений Эйнштейна, которое описывало пространство-время вокруг сферического не вращающегося массивного объекта. В его решении всплыла особая величина — радиус Шварцшильда. Это такой критический радиус: если всю массу объекта сжать в сферу с таким радиусом (или сделать объект ещё плотнее), то пространство-время искривится настолько сильно, что образуется горизонт событий, и геометрия пространства-времени меняется настолько радикально, что возникает объект, из которого ничто не может выйти — чёрная дыра. Это такая «точка невозврата»: как только что-то (даже свет!) пересекает эту границу, оно уже не может вырваться обратно. В самом центре, в сингулярности, плотность становится бесконечной, а законы физики, какими мы их знаем, перестают работать.
В рамках ОТО для любой массы можно рассчитать радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, на которой мог бы находиться горизонт событий, если бы всю эту массу сжали в точку (или в объём меньше этого радиуса).
Радиус Шварцшильда для Земли — примерно 0,887 см (чуть меньше сантиметра). То есть если бы всю массу Земли удалось сжать до шарика диаметром меньше пары сантиметров, она превратилась бы в чёрную дыру, и эта сфера стала бы её горизонтом событий.
Для Солнца этот радиус составляет около 2,95 км. При собственном радиусе Солнца примерно в 696 тысяч километров это ничтожно мало.
Для всей Солнечной системы. Здесь берём суммарную массу системы. Солнце — это около 99,86% всей массы Солнечной системы, а планеты, астероиды, кометы и прочее добавляют совсем немного. Поэтому радиус Шварцшильда для всей системы будет чуть больше, чем для одного Солнца — примерно 3–4 км.
Важное уточнение: сам по себе факт наличия массы не создаёт горизонт событий. Он появляется только в том случае, если эта масса сжата до объёма, меньшего радиуса Шварцшильда. Пока Земля, Солнце или Солнечная система сохраняют свои нынешние размеры и плотность, горизонта событий нет — и не будет, пока не произойдёт какой-то экстремальный процесс (например, гравитационный коллапс, который в случае Солнца естественным путём не наступает из-за термоядерных реакций).
В 1963 году новозеландский математик Рой Керр нашёл решение уравнений для вращающейся чёрной дыры (решение Керра).  В не вращающейся чёрной дыре сингулярность — это точка с бесконечной плотностью в центре. А в решении Керра она превращается в кольцо (кольцевая сингулярность). Представь не точку, а тонкое вращающееся колечко в самом центре — вот так выглядит сингулярность у вращающейся дыры.
•  Можно пролететь сквозь дырку в кольце. В строгих расчётах получается, что если ты летишь не прямо в кольцо, а сквозь его середину, то ты не обязательно врежешься в сингулярность. Это не значит, что там безопасно: гравитация всё равно дикая. Но чисто математически маршрут «сквозь центр кольца» выглядит иначе, чем «в лоб в кольцо».
•  Там могут быть «двери» в другие места. Некоторые математические модели говорят, что за кольцом пространство может вести себя так, будто оно соединяет разные части Вселенной или даже разные Вселенные. Это похоже на тоннель, который начинается в одном месте и выходит в другом. Но это пока только красивые идеи на бумаге — мы не видели ни одного такого тоннеля в реальности.
•  Время и пространство меняются местами. Это звучит странно, но в общей теории относительности именно так и бывает: рядом с очень сильной гравитацией привычные понятия «где» и «когда» начинают путаться. Внутри кольца эта путаница становится максимальной.
Долгое время чёрные дыры оставались математической абстракцией. Важно было понять: а есть ли в природе механизм, который мог бы создать такой объект? В 1930-х годах индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар изучил, что происходит со звездой, когда она исчерпывает ядерное топливо. Он показал: конечный результат зависит от массы звезды. Если масса превышает определённый предел (позже его уточнили Оппенгеймер и Волков), звезда не может стабилизироваться как белый карлик или нейтронная звезда и коллапсирует дальше — в чёрную дыру. Позже Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу.

И со временем астрономы стали находить доказательства наличия чёрных дыр.