Как рождаются чёрные дыры

Как ядро гигантской звезды рушится внутрь себя и отгораживается от Вселенной

Шаг за шагом

Обречённый гигант

Звёзды массой больше примерно 20 Солнц заканчивают жизнь с ядрами настолько большими и плотными, что обычной сверхновой бывает трудно начаться. Компьютерные модели говорят, что заметная доля таких звёзд вообще не взрывается.

Эта звезда смоделирована по N6946-BH1 — красному сверхгиганту около 25 Солнц в галактике NGC 6946, в 22 млн световых лет от нас. Астрономы, следившие за тысячами таких звёзд в поисках исчезновений, застали его в 2009 году.

Снаружи он выглядит как любой другой раздутый холодный сверхгигант: ничто не предвещает того, что вот-вот сделает его ядро.

Ядро не выдерживает

Как у сверхновой, железное ядро за четверть секунды схлопывается и отскакивает, образуя нейтронную звезду около 30 км в поперечнике. Ударная волна выходит — и застревает.

Всё начинается как у обычной сверхновой: железное ядро, слишком тяжёлое, чтобы его держали электроны, рушится само в себя и твердеет, достигнув плотности атомного ядра. Новая нейтронная звезда ещё раздута и горяча и извергает потоки нейтрино.

Ударная волна от отскока за несколько сотых секунды выдыхается и останавливается примерно в 150 км от центра, как при любом таком коллапсе. То, что будет дальше, решает, взорвётся ли звезда.

Слишком тяжело

Здесь нейтрино не могут оживить ударную волну. Газ продолжает падать на нейтронную звезду, и она примерно за секунду тяжелеет с 1,8 до 2,3 массы Солнца.

В самых плотных ядрах газ падает так быстро, что нагрев нейтрино не может снова вытолкнуть волну. Волна оседает, и внутренние слои звезды обрушиваются на нейтронную звезду почти на половине скорости света.

Нейтронную звезду держит давление её нейтронов, сжатых так же плотно, как ядра атомов. У этого давления есть предел: самая тяжёлая известная нейтронная звезда, PSR J0952-0607, имеет массу 2,35 Солнца, и намного тяжелее, как ожидают, не бывает.

Каждая десятая доля секунды добавляет массы. Время нейтронной звезды на исходе.

За пределом

Теперь её ничто не удержит: она схлопывается примерно за десятитысячную долю секунды. В её центре появляется горизонт и растёт наружу, догоняя падающую поверхность как раз тогда, когда та проходит окончательный размер горизонта.

Это простейший коллапс, который общая теория относительности описывает точно; его рассчитали Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер в 1939 году. Горизонт — не что-то, что вещество звезды создаёт на своей поверхности: это граница области, из которой свет уже не может выйти, и он начинается точкой в центре.

Когда поверхность оказывается внутри, от звезды больше ничего нельзя увидеть. Её вещество продолжает падать к центру, где общая теория относительности предсказывает сингулярность — точку, где наши нынешние законы физики перестают работать.

У нейтронной звезды в 2,3 Солнца горизонт в итоге имеет около 14 км в поперечнике.

Застывшая, покрасневшая, исчезнувшая

Издалека кажется, что поверхность замедляется у горизонта и никогда его не достигает. Её свет краснеет и тускнеет, и через тысячную долю секунды смотреть уже не на что.

Вблизи горизонта время, если смотреть издалека, растягивается без предела, а свет, выбираясь наружу, теряет всё больше энергии. Поэтому далёкий наблюдатель видит, как коллапс почти останавливается, а звезда застывает у самого горизонта. Но застывшую звезду не видно: её свет тускнеет примерно втрое каждые шестьдесят миллионных долей секунды.

Вот правда о популярном утверждении, будто падающий в чёрную дыру увидел бы, как проносится всё будущее Вселенной. Не увидел бы: падающий путешественник пересекает горизонт за миг своего собственного времени и ничего особенного там не замечает. Только далёкие наблюдатели никогда не видят, как он его пересекает.

Звезда исчезает

Остаток ядра падает внутрь в течение часа, и дыра дорастает примерно до десяти Солнц. Слабо удерживаемые внешние слои звезды уплывают, месяцами тускло светясь; потом смотреть уже не на что.

Нейтрино уносят столько энергии, что звезда внезапно становится легче на несколько десятых массы Солнца. Её внешние слои, едва удерживаемые тяготением, чувствуют, как притяжение ослабло, и уплывают, тускло светясь, — единственный знак снаружи, что что-то произошло.

Именно это астрономы увидели в 2009 году: N6946-BH1 несколько месяцев светил как миллион Солнц, а потом погас. В 2015 году «Хаббл» не нашёл в видимом свете ничего там, где была звезда в 25 Солнц. Осталось лишь слабое инфракрасное свечение тёплой пыли.

Это лучший пока пример звезды, схлопнувшейся прямо в чёрную дыру, хотя астрономы всё ещё проверяют, не объясняет ли это что-то другое.

Чёрная дыра

Чёрный круг — это её тень, примерно в два с половиной раза шире горизонта, потому что свет, подошедший слишком близко, захватывается. Сразу за ней свет звёзд позади изгибается в кольца; тонкое яркое кольцо у самой тени — это свет, облетевший дыру, прежде чем вырваться.

От звезды остаются лишь масса, вращение и электрический заряд: у чёрной дыры нет поверхности и ничего другого, что её отличало бы. Две чёрные дыры с одинаковыми массой и вращением совершенно одинаковы.

В нашей Галактике должно быть порядка ста миллионов чёрных дыр, возникших так. Большинство из них одиноки и темны, и найти их почти невозможно.

Кормясь соседкой

Чёрная дыра с близкой звездой-компаньоном может стягивать с неё газ в диск. Нагретый до миллионов градусов, диск светит в рентгене: так выдала себя Лебедь X-1, первая найденная чёрная дыра.

Лебедь X-1 — чёрная дыра в 21 Солнце, обращающаяся вокруг голубого сверхгиганта примерно в 41 Солнце, в 7200 световых лет от нас. Её рентгеновское излучение открыли в 1964 году, а к началу 1970-х орбита компаньона показала, что невидимый партнёр слишком тяжёл, чтобы быть чем-то, кроме чёрной дыры.

Газ, закручиваясь по спирали, разогревается трением сам о себя и вблизи дыры движется с заметной долей скорости света. Сторона диска, идущая к нам, выглядит ярче удаляющейся, а тяготение дыры изгибает дальнюю сторону диска так, что её видно.

В 2024 году космический аппарат «Гайя» нашёл Gaia BH3 — чёрную дыру в 33 Солнца всего в 1926 световых годах от нас — по тому, как она раскачивает свою звезду-компаньона. Она ничем не питается и темна.

От городов до гигантов

Чёрные дыры, созданные звёздами, весят от нескольких до нескольких десятков Солнц. В центрах галактик сидят гиганты: у Стрельца A* четыре миллиона Солнц, у M87* шесть с половиной миллиардов и горизонт шире нашей планетной системы.

Горизонт растёт вместе с массой: около 6 км в поперечнике на каждое Солнце. У Стрельца A* он около 25 млн км, у M87* — около 38 млрд км, в несколько раз шире орбиты Нептуна.

Всё, что сжать достаточно сильно, станет чёрной дырой. Солнце пришлось бы сдавить в шар 6 км в поперечнике, а Землю — всего до 18 мм, размером со стеклянный шарик.

Как гиганты стали такими большими, ещё выясняют. Они растут, поглощая газ и сливаясь друг с другом, но телескоп «Джеймс Уэбб» нашёл чёрные дыры в миллионы Солнц менее чем через 500 млн лет после Большого взрыва — возможно, они сразу родились большими: из схлопнувшихся облаков газа, вовсе без звёзд.

Сливаясь, две чёрные дыры сотрясают само пространство и излучают гравитационные волны. С 2015 года детекторы на Земле поймали сотни таких слияний.