Первым человеком, додумавшимся до таких ужасов, был английский священник. В ноябре 1783 года преподобный Джон Мичелл предположил, что могут существовать темные звезды – огромные астрофизические объекты, в пятьсот раз превышающие по размерам Солнце, гравитационное притяжение которых настолько велико, что даже свет не может от них вырваться[20]. Для того времени идея была увлекательной, хотя вскоре о ней забыли. Причина в том, что она базировалась на корпускулярной теории, согласно которой свет состоит из частиц, а после экспериментов Томаса Юнга на рубеже XIX века эта теория уступила место волновой модели света. Хотя работу Мичелла о черных дырах игнорировали почти два века, другие его труды снискали большее признание. Он был даже провозглашен отцом сейсмологии: его работа о разрушительном землетрясении и цунами, от которых в 1755 году пострадал Лиссабон, содержала идею, что землетрясение произошло из-за разломов земной коры, а не из-за атмосферных возмущений.
Сегодня большинство ученых считают, что черные дыры действительно существуют. Как правило, они образуются, когда у какой-то достаточно крупной звезды – как минимум в двадцать раз тяжелее Солнца – заканчивается топливо. Звезды получают энергию от ядерного синтеза, соединяя ядра атомов в своем ядре – печи, где постоянно взрываются термоядерные бомбы. Эта сила не дает звезде сколлапсировать под собственным весом: направленное наружу тепловое давление противодействует силе гравитации. Однако этот процесс не длится вечно. Как только звезда создает в своем ядре слишком много железа, процессы синтеза становятся неэффективными и она больше не может удерживать собственный вес. Наступает смерть звезды. Гравитация быстро начинает побеждать, сдавливая ее, и удавка становится все туже и туже. А затем взрыв! Звезда дает отпор, наносит резкий ответный удар безжалостной атаке гравитации. Борьбу ведут нейтроны – частицы в ядре звезды, яростно отталкивающие друг друга из-за сильного взаимодействия всякий раз, когда их прижимают слишком близко друг к другу. Внешние слои материи падают внутрь, ударяются о неподвижное ядро нейтронов и отскакивают. В одно мгновение волна давления пробивается к поверхности звезды, и она взрывается. Сверхновая, катастрофическое событие, ненадолго затмевающее всю галактику.
Что останется? Вероятнее всего, это будет нейтронная звезда – объект, плотность которого так велика, что чайная ложка его вещества будет весить столько же, сколько гора на Земле. Если общая масса нейтронной звезды не превысит примерно три массы Солнца, то у нее есть шанс на выживание. Чуть тяжелее – и гравитационная удавка снова начнет затягиваться. Ничего не смогут сделать и нейтроны. Ничто не сможет ничего сделать. Коллапс становится неудержимым. В конце концов звезда оказывается настолько плотной, что свет больше не может выйти наружу. Все, что когда-то было звездой, скрыто за горизонтом событий – люком в космическую темницу, сфероидальной поверхностью, после пересечения которой нет возврата.
Примерно одна звезда из тысячи достаточно тяжела, чтобы закончить свою жизнь под воздействием гравитации. Такие черные дыры массой со звезду есть повсюду, они разбросаны по всей галактике; это мрачные остатки самых больших и мощных звезд, когда-либо существовавших. Однако Повехи – это нечто большее. Черные дыры, появившиеся в результате смерти звезды, обычно имеют массу в 5–10 масс Солнца, а масса Повехи – это 6,5 млрд Солнц. Этот колосс – сверхмассивная черная дыра, которая находится в ядре огромной галактики M 87, удаленной от нас более чем на 50 млн световых лет. Повехи затмевает нашего собственного монстра: в центре нашей галактики Млечный Путь находится черная дыра массой 4 млн солнечных масс, которую называют Стрелец А*. Считается, что большинство галактик привязано к сверхмассивной черной дыре в их центре. Галактика 0402+379 содержит две такие черные дыры, – вероятно, это результат столкновения двух исходных галактик. В ядре 0402+379 должны бушевать цунами гравитационных волн, разрывающих пространство-время, пока два эти чудовища борются за верховенство. Сейчас мы не вполне понимаем, как появилась Повехи или любая другая из таких громад. Возможно, это прожорливые остатки гигантских звезд: когда-то эти черные дыры имели массу звезды, а потом выросли до гигантских размеров, миллионы лет питаясь всей материей, которая осмеливалась подойти к ним слишком близко.
Черную дыру определяет существование горизонта событий. Чтобы оставаться неподвижным на его поверхности, вам надо двигаться со скоростью света. Если вы приблизитесь к горизонту событий у черной дыры с массой звезды, это станет фатальным. В каком-то смысле это странно: вспомните, что гравитация – обман и мы можем избавиться от нее, забравшись в затемненную телефонную будку и упав (хоть с небоскреба Бурдж-Халифа, хоть к горизонту событий черной дыры). Проблема в том, что область, в которой мы можем от нее избавиться, – размер телефонной будки, – становится все меньше по мере того, как гравитационное поле усиливается, а пространство-время все больше искривляется. За пределами нашей будки есть опасные перепады гравитационного напряжения – приливы гравитации, которые нельзя игнорировать. Для черной дыры массой со звезду горизонт находится слишком близко ко дну гравитационного колодца, и приливы гравитации разорвут вас, как только вы подойдете слишком близко. С другой стороны, для сверхгигантской черной дыры вроде Повехи дно колодца находится дальше, поэтому прохождение через горизонт ничем не примечательно. Но как только вы переступите этот порог, ваши дни сочтены. Буквально. Время закончится. В центре черной дыры находится сингулярность – место, где пространство-время прикасается к бесконечности, где гравитационное поле неограниченно растет. Сингулярность – это не конец пространства, а конец времени. Как только вы пересечете горизонт событий, ваша траектория в пространстве-времени приведет вас в эту точку – в место, где не существует завтра, где нет будущего, даже в принципе. Когда вы приближаетесь к этому Армагеддону, гравитационные напряжения – эти чудовищные приливы – растягивают вас, как спагетти, атомы в вашем теле разделяются, их ядра разрываются на протоны и нейтроны, а те – на составляющие их кварки и глюоны. Какое бы сознание ни оставалось, оно будет стремиться к этой сингулярности, сострадательной неизбежности.
Однако сторонние наблюдатели, смотрящие издалека, как вы падаете в черную дыру, увидят совсем другую картину. Сначала они обнаружат, как вы ускоряетесь в сторону забвения, а если бы они могли как-то посмотреть на ваши субъективные часы у вас на запястье, они увидели бы, что эти часы замедляются все больше – по мере того как вы все глубже погружаетесь в гравитационный колодец. Пока вы приближались к горизонту событий, они (и вы) замедлились вплоть до полной остановки. Вы как будто застыли во времени и пространстве, украсив собой горизонт и став постоянным напоминанием о том, что может случиться, если вы подойдете слишком близко. Это вовсе не значит, что вы на самом деле не попадете в черную дыру; обязательно попадете, просто наблюдатели извне никогда этого не увидят, ведь каждый миг, который вы проводите на горизонте событий, для них будет вечностью.
Для объектов, находящихся подальше от горизонта, время не останавливается, но при достаточном приближении значительно замедляется. Если черная дыра достаточно быстро вращается, то могут существовать стабильные орбиты планет, которые подходят очень близко к горизонту событий. В принципе вы можете ненадолго побывать на них, замедлить время, а затем вернуться домой, оказавшись на целые годы в будущем. В фильме «Интерстеллар» экипаж космического корабля «Эндьюрэнс» испытал на себе всю силу гравитационного замедления времени, посетив планету Миллер, вращающуюся вокруг сверхмассивной черной дыры под названием Гаргантюа. Она вращается так быстро (всего на триллионную долю процента меньше теоретического максимума), что планета Миллер может приближаться к горизонту событий почти вплотную – на расстояние всего в несколько тысячных долей процента от радиуса горизонта[21]. Разведывательная группа находится на планете чуть более трех часов, но после возвращения герои обнаруживают, что их коллега, оставшийся на борту «Эндьюрэнса», постарел аж на двадцать три года. Нужно сказать, что черные дыры с таким моментом вращения невероятно редки (если они вообще существуют), поскольку есть природные механизмы, не дающие моменту увеличиться до уровня выше 99,8 процента от максимального. Это означает, что орбиты планет не могут располагаться настолько близко к горизонту, поэтому эффект замедления времени будет слабее. Вращательный момент Повехи вполне может оказаться примерно на уровне 99,8 процента. Три часа, проведенные на какой-нибудь планете, вращающейся близко к этой настоящей черной дыре, равнялись бы 32 часам и 24 минутам для тех, кто ждет на корабле-базе. Это не совсем «по-голливудски», зато Повехи реальна, мы ее видели, и, возможно, некоторые из ее планет населены существами, жизнь которых течет почти в одиннадцать раз медленнее по сравнению с нашим бешеным существованием на Земле.
Не стоит заблуждаться: изображение Повехи – убедительное доказательство существования черных дыр в природе, но не окончательное. Ведь мы видим не сам горизонт событий, а тень, которая в два с половиной раза больше. Несмотря на замечательные и впечатляющие изображения, полученные в проекте Event Horizon, самые убедительные доказательства существования черных дыр дают гравитационные волны.
14 сентября 2015 года ученые из LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) впервые обнаружили эту крохотную рябь на ткани пространства-времени. Система LIGO использует две обсерватории: выведенный из эксплуатации ядерный производственный комплекс в Хэнфорде и обсерваторию в кишащих аллигаторами болотах города Ливингстон. Эта мельчайшая рябь растянула и сжала четырехкилометровые рукава детекторов менее чем на ширину протона – таков был признак бурного слияния двух черных дыр массой в 36 и 29 солнечных масс, произошедшего где-то далеко в наблюдаемой Вселенной. Энергия, выделившаяся при слиянии, впечатляет: она эквивалентна массе трех Солнц или 1034 бомб, сброшенных на Хиросиму, и это взрывное пространственно-временное цунами сминает и растягивает пространство. Но, возможно, такую волну могло произвести какое-то другое событие или какой-нибудь иной экзотический компактный объект, не являющийся черной дырой? В момент слияния два объекта находились всего в 350 километрах друг от друга, а совокупная масса 65 Солнц втискивалась в область, менее чем вдвое превышающую размер предполагаемого горизонта событий. Трудно вообразить, что это была не пара черных дыр, стремящихся по спирали к последнему объятию, а что-то иное.