15. Три числа и температура

Карл Шварцшильд, директор Астрофизической обсерватории в Потсдаме, в декабре 1915 года служил офицером-артиллеристом на русском фронте и рассчитывал траектории снарядов. Месяцем раньше Эйнштейн доложил окончательные уравнения своей теории тяготения, но сам решил их только приближённо. Шварцшильд нашёл первое точное решение, для поля вокруг шарообразной массы, и 22 декабря отправил его Эйнштейну. В конце письма он приписал, что война, несмотря на сильный огонь, обошлась с ним достаточно милостиво и позволила ему прогуляться в страну эйнштейновских идей. На фронте он заболел тяжёлой болезнью кожи, весной его комиссовали, а в мае 1916 года он умер.

В решении пряталась сфера, из-под которой ничто не возвращается наружу, даже свет, но это поняли только через десятилетия. Сам Шварцшильд видел в ней место, где формулы ведут себя странно, и считал, что настоящее тело так не сожмётся. В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер посчитали, что бывает с ядром звезды, которое не держит уже никакая опора: оно проваливается под ту самую сферу. Их статья вышла 1 сентября, в день, когда Германия напала на Польшу.

Эту сферу называют горизонтом, и она ни из чего не сделана. Это место в пространстве, за которым все дороги ведут только внутрь. Радиус горизонта растёт с массой, примерно на три километра на каждое Солнце: Солнце, ставшее дырой, уместилось бы в небольшом городке, Земля — в вишне. Всасывать всё вокруг дыра не умеет. Издалека она тянет так же, как звезда той же массы, и если бы Солнце сжалось в такую дыру, Земля пошла бы по прежней орбите, только в темноте.

Когда дыра успокоится, от звезды снаружи останутся три числа: масса, вращение и заряд. Химия, магнитное поле, миллионы лет истории сотрутся. Джон Уилер, после лекции которого в 1967 году прижилось само слово «чёрная дыра», сказал об этом коротко: у дыры нет волос. Заряд у настоящих дыр почти нулевой, так что хватает двух чисел, и дыра из железа не отличается от дыры из антивещества с той же массой и тем же вращением. Это не значит, что внутри ничего нет. Это значит, что снаружи этого не узнать.

Предмет, который так мало о себе помнит, должен бы быть простым. Аспирант Уилера Яаков Бекенштейн в 1972 году предположил обратное. Годом раньше Стивен Хокинг доказал, что общая площадь горизонтов не уменьшается, даже когда дыры сливаются, а так в физике ведёт себя энтропия, счёт того, сколькими способами можно переставить части внутри, чтобы снаружи ничего не изменилось. Бекенштейн решил, что сходство не случайно: у дыры есть энтропия, и растёт она с площадью горизонта, а не с объёмом, как если бы всё о книге умещалось на обложке.

Хокинг сначала считал это ошибкой: у тела с энтропией есть температура, значит, оно светится, а из дыры свет не выходит. В 1974 году он сам показал, что квантовые поля у горизонта заставляют дыру слабо светиться, как нагретое тело. У одной молекулы воды температуры нет. У предмета, от которого не осталось ни одной молекулы, она есть.

Температура эта ничтожна. Дыра массы Солнца в десятки миллионов раз холоднее самого пустого космоса, где до сих пор бродит остывший свет Большого взрыва, поэтому сегодня она пьёт из него больше тепла, чем отдаёт, и растёт. Чем дыра легче, тем она горячее, так что, светя и худея, она не остывает, а разогревается, как костёр, который горит тем жарче, чем меньше в нём дров. Свечения настоящей дыры никто не видел, и физики спорят, выйдут ли наружу сведения обо всём упавшем, когда дыра испарится: расчёты последних лет говорят, что выйдут, но как, неясно. Какие «молекулы» стоят за этим теплом и беспорядком, тоже никто не знает. Их сосчитали только для идеализированных дыр в теории струн, одной из попыток соединить квантовую физику с тяготением, и получили ровно ответ Бекенштейна и Хокинга. У целого есть тепло и беспорядок, а частей не видно.

Теорему о площади уже проверили. 14 сентября 2015 года детекторы LIGO в США впервые поймали рябь пространства от слияния двух дыр: за время короче моргания масса трёх Солнц целиком превратилась в эту рябь. Площадь по этому сигналу проверили нетвёрдо, надёжно это удалось по сигналу 14 января 2025 года: горизонты общей площадью с Великобританию слились в один площадью почти со Швецию.

Первую дыру заподозрили в начале семидесятых в созвездии Лебедя: голубой гигант там ходит по орбите в паре с невидимым спутником, слишком тяжёлым для нейтронной звезды. Хокинг поспорил с Кипом Торном, что это не дыра, и называл пари страховкой: если дыр не окажется, годы его работы пропадут, зато пари будет выиграно. В 1990 году он признал проигрыш.

Дыру в центре нашей Галактики взвесили по звёздам, кружащим вокруг пустой на вид точки: группы Райнхарда Генцеля и Андреа Гез следили за ними с девяностых. По массе дыра рядом с Галактикой как монетка рядом с легковой машиной. Звезда S2 в мае 2018 года пронеслась мимо неё с такой скоростью, что от Москвы до Владивостока долетела бы меньше чем за секунду, и её свет покраснел так, как предсказывал Эйнштейн для света, выбирающегося из ямы тяготения. В 2020 году Генцель и Гез разделили за это половину Нобелевской премии. Другую половину получил Роджер Пенроуз, показавший, что при достаточно сильном сжатии дыра в теории Эйнштейна неизбежна.

10 апреля 2019 года показали снимок окрестностей дыры в центре галактики M87. Восемь радиотелескопов от Гавайев и Испании до Южного полюса сложили в один телескоп размером с Землю, а данные везли самолётами на жёстких дисках, и диски с полюса ждали конца полярной зимы. Получилось яркое кольцо с тёмной серединой, на небе размером с пончик, лежащий на Луне. Кольцо — горячий газ, середина — тень, заметно шире горизонта. Самой дыры не видно и здесь.

Отсюда лестница расходится. Одна ветка ведёт к галактикам: сверхмассивные дыры растут вместе с ними, выдувают и греют их газ, а в больших скоплениях достают теплом до газа всего скопления. Спорят, откуда они взялись так рано. Если сжать историю Вселенной в сутки, телескоп «Уэбб» находит дыры в миллионы Солнц уже к исходу первого часа, и неясно, выросли они необычно быстро из останков звёзд или сразу родились тяжёлыми из схлопнувшихся газовых облаков.

Другая ветка ведёт к тому, что вокруг дыры светится. В 1963 году Мартен Шмидт понял, что похожая на звезду точка на небе — ядро далёкой галактики, которое светит ярче всех её звёзд. Светит там не дыра, а то, что на неё падает. Только падает оно не прямо, а кругами, и сплющивается в широкое плоское кольцо, как газ вокруг звезды, которая только рождается.