Еще в 1795 году Пьер-Симон Лаплас, руководствуясь законом всемирного тяготения, пришел к выводу, что, возможно, самые яркие небесные тела во Вселенной для нас, землян, невидимы.
Он произвел достаточно простые вычисления, используя знания о второй космической скорости, которую должно набрать любое космическое тело, чтобы преодолеть силы тяготения.
Например, вторая космическая скорость, до которой необходимо разогнать ракету с космонавтом, чтобы преодолеть земное тяготение, равна 11 км/с. Но эта скорость зависит от массы космического тела и его радиуса. Она тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус, так как с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. В соответствие с законом тяготения Ньютона уменьшение радиуса небесного тела вдвое при постоянной массе приводит к возрастанию тяготения вчетверо.
На поверхности Солнца, например, вторая космическая скорость равна 620 км/с, и поскольку скорость света (300 000 км/с) превышает эту величину, световые лучи несут нам жизнь.
Если представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив массу прежней, то вторая космическая скорость увеличится до 150 000 км/с. А если продолжить сжимать Солнце дальше, оставив неизменной массу, то мы вправе предположить, что вторая космическая скорость может достигнуть скорости света. И поскольку поле тяготения (по Ньютону) действует не только на объемные тела, которые притягиваются друг к другу, но и на микрочастицы и даже на свет, то вычисления Лапласа правомерны и для света.
Световые потоки не смогут преодолеть тяготение этого небесного тела, и мы со стороны сможем увидеть лишь некое темное пятно в космосе. Проще говоря, дыру.
Следует отметить, что в соответствии с теорией тяготения Ньютона тяготение становится бесконечно большим при радиусе, равном нулю. Необычные небесные тела хотя и считались гипотетическими, но притягивали внимание ученых.
С появлением теории относительности результаты теоретических исследований этих небесных тел изменились. Эйнштейн доказал, что при сжатии небесного тела гравитация растет гораздо быстрее, и определил так называемый гравитационный радиус, при котором она становится бесконечной [6].
Гравитационный радиус Солнца равен 2900 метров (при настоящем 700 000 километров), а гравитационный радиус Земли равен 10 миллиметров (при настоящем 6400 километров). Теория гласит, что любое небесное тело, сжатое до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, так как свет не может покинуть данное тело в связи с тем, что вторая космическая скорость должна быть выше скорости света.
Встал вопрос: что может так сжать звезду? Оказалось, сама звезда!
В 1968 году американский физик Джон Уилер в своей статье об этих удивительных небесных объектах ввел в обиход термин «черная дыра».
Как трактует «Википедия»: «Черная дыра – это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света)».
Чтобы понять, как возникает черная дыра или что именно произошло с объектом XR-1 в созвездии Лебедя, познакомимся с жизненным циклом звезды.
Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что атомы водорода вместо того, чтобы отскакивать друг от друга, начинают сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, вызовет свечение звезды.
Из-за дополнительного тепла во внутренних слоях протозвезды повышается внутреннее давление, стремящееся ее разжать. Когда между сжимающими силами (гравитационными) и расширяющими силами (силами внутреннего давления и центробежными силами, связанными с вращением звезды) наступит равновесие, протозвезда превращается в звезду. При этом наступает равновесие и между количеством тепла, отдаваемого вовне, и количеством тепла, получаемого от термоядерной реакции. В стабильном состоянии звезда может функционировать миллиарды земных лет.
Но когда у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива, наступает старость звезды. А дальше – смерть…
Звезды разной массы умирают по-разному. Это стало понятно только в конце XX века.
Малые звезды, к которым относится и наше Солнце, умирают не так эффектно, как массивные.