В 40-е годы в его жизни начался новый этап. В 1938 году немецкие физики Ган и Штрассман открыли процесс деления ядра, и вскоре стало очевидно, что на основе этой реакции можно сделать мощную бомбу. США находились в состоянии войны с Германией, и, узнав, что там занимаются такими разработками, американцы последовали примеру немцев. Оппенгеймер участвовал в большинстве предварительных обсуждений. На одном из первых он представил расчёты по количеству расщепляемого материала, который требуется для создания бомбы, и в 1940 году его назначили руководителем проекта. Вначале ему пришлось искать место для секретной лаборатории. Зная горные районы Нью-Мехико, он остановил свой выбор на Лос-Аламосе. Как известно, атомная бомба была создана и применена.
Основным вкладом Оппенгеймера в астрофизику было открытие постоянно коллапсирующей звезды. Интересно, что это его единственный экскурс в данную область. Бо?льшая часть работ 1938-1939 годов, когда он опубликовал свою статью по астрофизике, посвящена квантовой теории и ядерной физике. Странный результат поразил учёного. Вот что Оппенгеймер писал коллеге в 1939 году: «Мы занимались статическими и нестатическими решениями для очень больших масс, истощивших источники ядерной энергии. Это могут быть старые звёзды, от которых в результате коллапса осталось только нейтронное ядро. Результаты получились очень странные…»
Открытая Оппенгеймером и Снайдером звезда некоторое время привлекала внимание учёных, но постепенно интерес к ней угас. Многие астрономы считали, что эти поразительные результаты для современной астрономии не имеют значения, ведь такие экзотические объекты вряд ли существуют в природе. Без сомнения, Оппенгеймер продолжил бы работу в этом направлении, но тут началась война, и он переключился на атомную бомбу. К проблеме коллапсирующих звёзд он больше не возвращался. В 50-х годах, когда ей во всём мире занималась горсточка учёных, дело продвигалось плохо. Но в начале 60-х годов положение изменилось. Были открыты странные объекты, напоминающие звёзды (теперь они называются квазарами). Оказалось, что они выделяют колоссальное количество энергии. Каков механизм этого процесса? Нет ли тут связи с чёрными дырами? Открытие вызвало некоторый интерес, но, так как нейтронные звёзды ещё не были обнаружены, чёрные дыры никто всерьёз не принял.
Затем в 1967 году, когда Джослин Белл впервые зафиксировала пульсирующий сигнал, и уже через год астрономы точно знали, что обнаружена первая нейтронная звезда. Тогда они обратили внимание на чёрные дыры: об их существовании теоретически было известно давно, но неясно было, существуют ли они в действительности. Как только учёные занялись чёрными дырами, им удалось добиться больших успехов. В Соединённых Штатах над этой проблемой работали Джон Уилер, Кип Торн, Ремо Руффини и другие, в Советском Союзе – Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков, в Англии – Роджер Пенроуз, Брендон Картер и Стивен Хокинг. Через несколько лет теория чёрных дыр была разработана достаточно хорошо.
Основным инструментом в изучении чёрных дыр служит общая теория относительности, хотя следует заметить, что чёрные дыры не являются её «продуктом». Если когда-то в будущем выяснится, что общая теория относительности неверна, это не будет означать, что чёрных дыр не существует. Они существуют во всех серьёзных теориях гравитации. Например, теория Дикке и Бранса, которую сейчас считают основной соперницей общей теории относительности, также предсказывает их существование.
Издали нельзя сказать, что в чёрной дыре есть что-то необычное, разве что её странный вид. Гравитационное поле у неё такое же, как было до коллапса. Если вокруг массивной звезды вращается планета, а звезда внезапно сколлапсирует и превратится в чёрную дыру, планета останется на той же орбите. Там она может вращаться ещё миллиарды лет. Правда, в конце концов под действием определённых сил планета медленно приблизится к чёрной дыре и за критической точкой будет втянута внутрь и смята.
Но если гравитационное поле после коллапса остаётся таким же, как до него, откуда столько разговоров о какой-то невероятной силе гравитации? Действительно, поле вокруг звезды не меняется, но не следует забывать, что первоначально звезда имела, скажем, миллион километров в диаметре, а чёрная дыра – около десяти километров. Это означает, что можно ближе подойти к источнику поля, и по мере приближения к нему интенсивность поля возрастает.
Чёрная дыра не излучает света, и всё же, если приближаться к ней на ракете, станет ясно, что она где-то рядом. Мы почувствуем её притяжение и даже сможем увидеть её в телескоп. Она покажется нам чёрным кругом на фоне звёзд, из самой дыры свет не излучается. Вблизи неё следует соблюдать осторожность – стоит кораблю подойти слишком близко, как его затянет в чёрную дыру и спастись уже не удастся.
Чтобы понять, к каким последствиям приведёт появление чёрной дыры, для начала рассмотрим коллапс достаточно большой звезды, которая способна образовать такую дыру. Предположим, что эта звезда не вращается. По мере «старения» она расходует свою энергию и превращается в красного гиганта, но в конце концов её топливо кончается и звезда становится неустойчивой. Термоядерная «печь» обеспечивала направленное вовне давление, которое уравновешивало силу гравитационного сжатия, но теперь его нет. Гигантская сила сжатия скоро становится неодолимой. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапс растягивается на миллионы лет, но для массивных звёзд он происходит практически мгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем за тысячную долю секунды звезда превращается в чёрную дыру.
Представим себе, что нам удалось «растянуть» коллапс во времени и теперь мы наблюдаем результат замедленной съёмки. Вскоре после начала сжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается, и фотонам становится всё труднее противостоять растущему притяжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом, имеют искривлённую траекторию (как следует из общей теории относительности). Те же, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются на орбите вокруг звезды, и через долю секунды ни один фотон уже не может вырваться – звезда прошла то, что называется горизонтом событий. Мы уже не можем непосредственно наблюдать её; на том месте, где была звезда, видна только чёрная сфера. Однако вещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапс продолжается вечно, и в конце концов вещество сжимается до нулевого объёма в центре звезды. Этот центр называется сингулярностью.
Возможно, так выглядит чёрная дыра в космосе. Скопление звёзд около неё – оптическая иллюзия, вызванная сильным искривлением пространства в окрестности дыры
Наблюдал ли кто-нибудь коллапс звезды так, как мы его описали? Ответ однозначен – нет. Звезда сжимается слишком быстро. Мы могли бы видеть только в некой точке пространства огромную звезду, которая затем внезапно исчезнет (если нам повезёт и мы увидим коллапс). Но это очень маловероятно – за десятки лет лишь несколько звёзд по соседству с нами превратились в чёрные дыры.
Вернёмся к коллапсу и рассмотрим его повнимательней. Если бы мы смогли увидеть его в замедленном варианте, то заметили бы, как звезда сожмётся и покраснеет. Покраснение вызывается следующим из общей теории относительности замедлением времени. Фотоны похожи на крошечные очень точно идущие часы; если время замедляется, частота колебаний уменьшается, отчего фотоны «краснеют».
Чёрная дыра «в разрезе». Показаны горизонт событий и сингулярность в центре
По мере приближения звезды к горизонту событий испускаемый ею свет попадает в «ловушку», создавая красное гало, которое держится некоторое время. Но постепенно красное свечение угаснет, и перед нами окажется только тёмная сфера – чёрная дыра.