Вероятно, во Вселенной встречаются ещё более загадочные объекты, чем нейтронные звёзды. Что произойдёт, если масса звезда будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса? Ещё в XVIII в. учёные высказали предположения о возможности существования во Вселенной тел с огромной силой тяготения, которые притягивают даже испущенный ими самими свет. После создания Эйнштейном общей теории относительности было построено подробное описание таких объектов, названных чёрными дырами. Чёрные дыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд массой более трёх масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется всё сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть её притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звёзд он составляет несколько десятков километров.

Наблюдения показывают, что очень многие звёзды являются двойными, а часть из них входит и в более обширные звёздные группы. Узнать о том, что две звезды составляют пару, можно, изучив их совместное движение. Но бывает и так, что наблюдать удаётся излучение лишь одного компонента звёздной пары. Конечно, при этом нельзя исключить, что второй компонент является либо маломассивной тусклой звездой, либо белым карликом. Однако в некоторых парах масса невидимого компонента слишком велика для подобных объектов. В таком случае можно предположить, что он представляет собой нейтронную звезду или чёрную дыру. Но и тогда останется большая доля неопределённости. Более уверенные выводы можно сделать, изучая свойства тесных двойных систем, в которых расстояния между компонентами настолько малы, что они почти соприкасаются. Что если одной из звёзд-соседок будет компактная массивная и “мёртвая” звезда? Её гравитационное поле может оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной звезды. В этом случае газ начнёт отделяться от внешних слоёв видимой звезды и падать на невидимый спутник. Но сам этот газ будет доступен наблюдениям. Более того, вблизи нейтронной звезды или чёрной дыры газ сильно разогреется и станет источником высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазоне. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с космических телескопов. После запуска внеатмосферных приёмников рентгеновского и гамма-излучения подобные источники были открыты в тесных двойных системах. В большинстве двойных систем являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, следовательно, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронной звезды. Предполагается, что в этом случае гравитационное поле создаёт чёрная дыра. Одним из вероятных кандидатов в чёрные дыры считается ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя – Лебедь X-1. Отличить чёрную дыру от нейтронной звезды (если излучение последней не наблюдается) очень трудно. Поэтому о существовании чёрных дыр часто говорят предположительно. Тем не менее открытие массивных несветящихся тел (с массами в несколько масс Солнца) – серьёзный аргумент в пользу их существования. По-видимому, черные дыры — это те объекты Вселенной, которые привлекают наибольшее внимание широкой общественности. Это звезды большой массы на конечной стадии жизни, которые создают столь сильное гравитационное поле, что абсолютно не могут отражать свет, поэтому для наблюдателя они кажутся черными.Не излучая электромагнитной энергии какого-либо типа, они не могут наблюдаться непосредственно, и поэтому настолько трудно подробно изучить их природу, что можно начать сомневаться в их существовании. Но в последние годы набралось достаточное количество косвенных доказательств их наличия, позволивших с достаточной уверенностью определить место этих объектов среди прочих, населяющих Вселенную. Первым человеком, предположившим существование черных дыр, был французский математик XVIII века Симон-Пьер де Лаплас, который, изучая теорию тяготения, выдвинул гипотезу, что могут существовать объекты, параболическая скорость для которых выше скорости света. Параболическая скорость — это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы преодолеть гравитационное поле определенного объекта (например, для Земли она составит около 11 км/с), и зависит от плотности порождающего поле объекта.При предполагаемом Лапласом существовании достаточно плотного тела относительная параболическая скорость будет настолько высокой, что даже свет с его скоростью 300 000 км/с не сможет излучаться с его поверхности.Теория Лапласа в те далекие времена не была принята, и только в начале XX века с рождением и развитием квантовой механики ученые разобрались с двойной природой света, который может вести себя как волна или как совокупность частиц в зависимости от обстоятельств. Эта концепция развивалась в свете общей теории относительности , сформулированной Альбертом Эйнштейном в 1915 году, а затем, примерно через год, немецким физиком Карлом Шварцшильдом, заложившим математическое основание теории черных дыр.В ядре гигантской эллиптической галактики М87, возможно, зарождается огромная черная дыра Черные дыры, названные так в 1967 году американским астрофизиком Джоном Уиле-ром, не что иное, как завершающий период эволюции звезд большой массы, превышающей в 5 раз солнечную. Когда звезда израсходовала все запасыядерного горючего, она подходит к последнему и окончательному сжатию. После этой фазы наступает смерть звезды. В этот момент ее судьба определяется исключительно собственной массой. Если она меньше солнечной, звезда продолжает сжиматься, медленно угасая. И наоборот, если масса звезды очень большая, она закончит свое существование огромным взрывом сверхновой, во время которого она может почти полностью исчезнуть в этом взрыве. В этом случае на ее ядро будет действовать гравитационный коллапс, и образуется нейтронная звезда или черная дыра, объект с непредсказуемо большой плотностью и исчезающе маленькими размерами. Чёрные дыры представляют собой великолепную природную лабораторию, где ученые могут проверять самые смелые гипотезы теоретической физики. И, действительно, в соответствии с общей теорией относительности действие законов физики может меняться под воздействием гравитационного поля. В частности, бег времени в гравитационных полях разной интенсивности имеет разные ритмы. Например, время течет медленнее рядом с черными дырами, чем рядом с Солнцем. Но черные дыры не только влияют на течение времени, но и искривляют окружающее пространство.Что может обуздать черную дыру, неизвестно. Физические условия ее недр слишком отличаются от экспериментальных моделей и любых, самых невероятных, предположений. По самым смелым теориям черные дыры так сильно искажают пространство и время именно потому, что представляют собой своего рода «пункты отправления» в иные измерения. Например, войдя в черную дыру, можно было бы выйти в другую черную дыру и, таким образом, в другую точку пространства, а возможно, даже и времени. Вследствие этого некоторые убеждены, что черные дыры могут стать средством для путешествий в пространстве с мгновенной скоростью или даже для путешествий во времени. Естественно, в этих случаях достаточно сложно провести точную границу между научным шарлатанством и фантастикой. Вероятнее всего, объект, попавший в черную дыру, тут же будет раздавлен огромным гравитационным полем. Так как по теории звездной эволюции большинство звезд — это звезды большой массы, можно ожидать, что черных дыр в нашей Галактике очень много. В частности, исходя из того, что звезды обычно рождаются парами, или, выражаясь научным языком, бинарными системами, черные дыры — не одиночные объекты, а по большей части у них имеется второй компонент.Существует гипотеза, что рядом с черными дырами звездного типа, образовавшимися вследствие гравитационного коллапса крупной звезды, есть черные дыры гораздо больших размеров, образующиеся в ядрах галактик. Массы этих гигантских черных дыр составляют сотни миллионов солнечных масс, что равно примерно одному проценту общей массы Галактики.Поэтому их обычно называют сверхкрупными черными дырами. По последним теориям во всех галактиках, в том числе и в Млечном Пути, есть гигантская черная дыра в центре; именно благодаря ее гравитационному действию мы и видим большую часть светящейся материи, сконцентрированной в центральных областях. Исходя из того что черные дыры не могут наблюдаться непосредственно, для их поиска косвенным путем и изучения используют бинарные системы.В этом случае у черной дыры есть звезда, второй компонент бинарной системы; оба объекта обращаются вокруг некоей воображаемой точки на соединяющей их центры прямой линии, то есть в центре массы всей бинарной системы. Когда для системы наступают критические условия, зависящие от орбит двух звезд и радиуса второго компонента бинарной системы, черная дыра вступает с последним в гравитационное взаимодействие, втягивая ее газ в свои поверхностные слои. Второй компонент начинает образовывать воронку вокруг черной дыры, образуя, таким образом, структуру, известную как «диск роста», после чего низвергается внутрь и бесследно исчезает. Во время этого процесса газ приобретает гравитационную энергию и из-за повышения кинетического движения молекул раскаляется, достигая температуры порядка 1 млн. градусов. При столь высокой температуре черная дыра испускает не видимый свет, а очень мощное излучение — рентгеновские лучи.Поэтому наличие источника рентгеновских лучей является характерной чертой бинарных систем, в которые входит черная дыра. По этой причине поиск таких объектов получил развитие в недавнем прошлом, с появлением рентген-астрономии. Приведенный критерий, как и прочие, находящиеся в распоряжении астрофизиков, позволяет только классифицировать представляющие интерес Х-бинарные (излучающие рентгеновские лучи) системы. Тем не менее этому есть только косвенные подтверждения, но нет неопровержимых доказательств. Поэтому наиболее осторожные астрономы предпочитают говорить, что возможно эти объекты и являются черными дырами. Однако с определенной долей уверенности можно предположить наличие черных дыр в некоторых X-бинарных системах. Первая была найдена в Лебеде Х-1 в начале 1970-х годов.Ядро галактики М51. Зона Х-образной формы образовалась из предполагаемой черной дыры величиной около 100 млн. солнечных масс.