Когда мы слышим «чёрная дыра», в голове почти автоматически включается один и тот же сценарий: огромная звезда, коллапс, взрыв сверхновой, и где-то там в центре остаётся что-то настолько плотное, что даже свет не может выбраться. И в целом это правда. Так действительно появляются многие чёрные дыры, которые мы сегодня наблюдаем. Но здесь есть одна ловушка. Мы автоматически начинаем думать, что размер чёрной дыры как-то связан с размером того, из чего она образовалась. Мол, была большая звезда, значит и чёрная дыра должна быть большой. А вот это уже не совсем так. Во Вселенной вообще часто ломаются такие «интуитивные» связи. Есть гипотеза, что чёрные дыры могут быть очень маленькими. Например с яблоко или даже меньше. И при этом масса у такой штуки может быть сравнима с Луной. Да, звучит как бред уровня «физика сломалась». Объект размером с пылинку весит как Луна. Спасибо, до свидания. Но проблема не в физике. Проблема в том, что мы неправильно понимаем слово «размер».
Самое важное, что нужно один раз нормально уложить в голове: чёрная дыра это не шар из вещества. У неё нет поверхности. Там нет «твёрдого края», до которого можно долететь и сказать, мол всё, дальше стенка. То, что мы называем её размером - это радиус горизонта событий (радиус Шварцшильда). Грубо говоря, это граница, после которой уже всё. Ни свет, ни информация наружу не выйдут. Не потому что «не хотят», а потому что физически не могут. И вот этот радиус зависит только от массы. Больше масса - больше горизонт. Меньше масса - меньше горизонт. Всё. Например чёрная дыра массой Солнца будет иметь радиус около 3 км. Если сжать Землю в чёрную дыру получится объект размером примерно с виноградину. А если масса ещё меньше радиус может быть уже меньше атома. И вот здесь обычно наступает момент, когда мозг немного подвисает. Потому что оказывается, что «маленькая» чёрная дыра это не лёгкая чёрная дыра. Это просто очень компактная. И да, объект размером с пылинку вполне может иметь массу Луны. Никакого противоречия, просто плотность выходит, скажем так, слегка запредельная.
Если перемотать Вселенную назад, к самым первым моментам после Большого взрыва, мы увидим что там не было ни звёзд, ни галактик, ни вообще чего-то устойчивого. Это была среда с чудовищной плотностью и температурой. И главное - она не была идеально ровной. В ней были флуктуации. Маленькие, но при таких условиях «маленькие» означает колоссальные перепады плотности. В некоторых областях плотность могла оказаться настолько высокой, что вещество буквально сразу оказывалось внутри собственного горизонта событий. Без звёзд. Без коллапса. Без долгой эволюции. Просто раз, и чёрная дыра. Такие объекты называют первичными чёрными дырами. Во Вселенной на ранних этапах жёстко связаны время и масштаб. Чем раньше момент после Большого взрыва, тем меньше область, которая вообще могла быть причинно связанной. А значит, тем меньше масса, которую можно «собрать» в одном месте. Поэтому получается что если такая дыра образовалась, условно, через секунду после начала, она могла быть очень массивной. Если через доли секунды уже гораздо меньше. А если ещё раньше, то речь вообще идёт о массах, которые по космическим меркам выглядят почти игрушечными. И отсюда как раз берутся все эти странные формулировки про чёрные дыры размером с яблоко или меньше. Это не художественное преувеличение, а прямое следствие того, как устроена ранняя Вселенная.
А могут ли сейчас образовываться такие чёрные дыры? Ответ довольно скучный: нет, сейчас условия не те. А вот ранняя Вселенная совсем другая история. Любое вещество сопротивляется сжатию. Атомы за счёт электронных оболочек. Ядра за счёт сильного взаимодействия, это как невидимые пружины, которые держат протоны и нейтроны вместе и мешают им просто слиться под гравитацией. В нейтронных звёздах вообще включается давление вырожденного газа. Это как бесконечная система упоров, которые не дают материи просто так взять и схлопнуться. Чтобы всё это продавить и получить чёрную дыру, нужно собрать огромную массу в одном месте. А маленький объект вроде камня, горы или яблока… ну, у него просто нет «ресурса», чтобы сжать самого себя. Он развалится, нагреется, испарится. Что угодно, но не станет чёрной дырой. Если попробовать представить, как такая штука выглядела бы «вживую», возникает соблазн ожидать что-то эффектное: воронку, засасывание, разрушения. Но в реальности всё гораздо прозаичнее. Гравитация не знает, что перед ней - чёрная дыра или обычный камень. Она видит только массу. Поэтому если взять первичную чёрную дыру с массой, скажем, астероида, то снаружи она будет вести себя ровно как астероид. Даже если её радиус при этом меньше атома. Такая чёрная дыра может пролететь рядом с Землёй и мы ничего не заметим. Может даже пройти сквозь Землю, и тоже не произойдёт ничего зрелищного. Никаких «порталов в ад», максимум - микроскопические возмущения, которые без приборов никто не увидит. И это же объясняет, почему их так сложно искать. Они не светятся, не отражают излучение, у них нет атмосферы или каких-то «признаков присутствия». Всё, что остаётся это косвенные эффекты: слабое микролинзирование далёких звёзд, едва заметные отклонения в движении объектов, статистика распределения массы в галактиках.
И вот с этой статистикой как раз начинаются проблемы. Первичные чёрные дыры могут объяснять часть или всю тёмную материю. Yа первый взгляд идея выглядит слишком красивой: не нужно вводить новые частицы, не нужно усложнять физику, просто берём объекты, которые и так допустимы общей теорией относительности, и объясняем тёмную материю. Но когда начинаешь сравнивать с наблюдениями, оказывается, что не всё так гладко. В разных диапазонах масс такие чёрные дыры уже либо «не помещаются» в данные, либо должны были бы проявляться заметнее, чем мы видим. В итоге остаются довольно узкие интервалы, где они ещё не запрещены, но и там ситуация постепенно уточняется. Плюс есть ещё одна тонкость. Тёмная материя ведёт себя очень «гладко», а чёрные дыры это всё-таки отдельные объекты. Если бы её полностью составляли такие штуки, структура галактик выглядела бы немного иначе. Поэтому на сегодняшний день самый честный вариант звучит так: первичные чёрные дыры могут существовать, они могут давать вклад в тёмную материю, но вряд ли полностью её объясняют. И это, на самом деле, довольно типичная ситуация для космологии. Есть красивая идея, она не запрещена физикой, частично согласуется с наблюдениями, но и не закрывает вопрос до конца. Так что мы остаёмся в странном положении: объекты, которые могли образоваться буквально в первые мгновения существования Вселенной, теоретически могут быть рядом с нами прямо сейчас, и при этом мы до сих пор не знаем, есть ли они вообще.