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.
А что было «до этого»? Откуда взялась эта первичная сверхплотность, которую иногда называют «космическим яйцом»? Неизвестно, можно лишь догадываться. Возможно, космическое яйцо существовало вечно, а потом что-то побудило его расширяться. А возможно, у Вселенной была какая-то предыдущая фаза, когда пространство-время сжималось в соответствии с уравнениями Эйнштейна. Сжимающаяся Вселенная могла довести себя до ядерных плотностей, а потом снова «спружинить» наружу, вступить в фазу расширения, не дойдя до катастрофической сингулярности.
Идея первичного атома или космического яйца возникла в начале 1930-х годов и оттачивалась и уточнялась еще лет двадцать. Однако даже в начале 1960-х годов это оставалось математической игрой, в которую играли отдельные специалисты, в основном для собственного удовольствия. Мысль о сверхплотном космическом яйце всего раз в тридцать больше Солнца, которое содержало в себе все на свете, а потом взорвалось и породило расширяющуюся Вселенную, соответствовала и уравнениям Эйнштейна, и наблюдениям. Только, похоже, никто по-настоящему не верил, что эти уравнения описывают Вселенную. Никто не огорчился бы, если бы оказалось, что гипотеза космического яйца в корне неверна.
О том, как относились к этой мысли в 1950-е, можно судить по условным названиям, которые давали ученые своей работе. На самом деле уравнения ОТО позволяют давать не одно, а несколько толкований поведения пространства-времени в целом. Мы уже знаем, что эти уравнения допускают либо расширение, либо сжатие, но не статическое состояние. Очевидно, что Вселенная, в которой мы живем, не может одновременно и расширяться, и сжиматься, так что два решения уравнений не могут быть верными для современной Вселенной. Поэтому эти решения называют моделями. Космологическая модель – это набор уравнений, описывающих, как может вести себя вселенная (не обязательно наша). Уравнения должны подчиняться известным законам физики, но не обязаны описывать реальное поведение настоящей (нашей) Вселенной. Оба решения уравнений Эйнштейна, и сжатие, и расширение, описывают модели вселенных, занятные математические игрушки, а модель расширения, вероятно, описывает реальную Вселенную. Однако в начале 1960-х годов большинство космологов предпочитали называть моделью и то решение, которое предполагает расширение.
Но в 1960-е все больше популярности набирала мысль о Большом Взрыве. Космологи приходили к убеждению, что их уравнения и в самом деле описывают происходящее в реальной Вселенной, поскольку у ОТО появлялось все больше экспериментальных подтверждений. Это вдохновило их на новые теоретические изыскания, те, в свою очередь, позволили дать новые прогнозы и потребовали новых наблюдений, и эта раскручивающаяся спираль стала причиной революции в наших представлениях о рождении Вселенной.