Якщо маса зірки в два рази перевищує сонячну, то до кінця свого життя зірка може вибухнути як наднова, але якщо маса речовини, що залишився після вибуху, все ще перевершує дві сонячні, то зірка повинна стиснутися в крихітне щільне тіло, так як гравітаційні сили цілком придушують будь внутрішній опір стисненню. Вчені вважають, що саме в цей момент катастрофічний гравітаційний колапс приводить до виникнення чорної діри. Вони вважають, що із закінченням термоядерних реакцій зірка вже не може знаходитися в стійкому стані. Тоді для масивної зірки залишається один неминучий шлях - шлях загального і повного стиснення (колапсу), що перетворює її в невидиму чорну діру.

В 1939р. Р. Оппенгеймер і його аспірант Снайдер у Каліфорнійському університеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі великої маси холодної речовини. Одним з найбільш вражаючих наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна виявилося наступне: коли велика маса починає коллапсировать, цей процес не може бути зупинений і маса стискується в чорну діру. Якщо, наприклад, невращающаяся симетрична зірка починає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційний радіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда, який першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цього радіуса, то вже не що не може перешкодити їй завершити колапс, тобто буквально замкнутися в собі. Чому ж дорівнює гравітаційний радіус ? Суворе математичне рівняння показує, що для тіла з масою Сонця гравітаційний радіус дорівнює майже 3 км, тоді як для системи, що включає мільярд зірок, - галактики - цей радіус виявляється рівним відстані від Сонця до орбіти планети Уран, тобто складає близько 3 млрд. км

Які ж фізичні властивості "чорних дір" і як учені припускають виявити ці об'єкти ? Багато вчених роздумували над цими питаннями; отримані деякі відповіді, які здатні допомогти в пошуках таких об'єктів.

Сама назва - чорні діри - говорить про те, що це клас об'єктів, які не можна побачити. Їх гравітаційне поле настільки сильно, що якби якимось шляхом удалося виявитися поблизу чорної діри і направити убік від її поверхні промінь самого потужного прожектора, то побачити цей прожектор було б не можна навіть з відстані, що не перевищує відстань від Землі до Сонця. Дійсно, навіть якби ми змогли сконцентрувати весь світ Сонця в цьому потужному прожекторі, ми не побачили б його, так як світло не зміг би подолати вплив на нього гравітаційного поля чорної діри і залишити її поверхню. Саме тому така поверхня називається абсолютним горизонтом подій. Вона являє собою кордон чорної діри.

Вчені відзначають, що ці незвичайні об'єкти нелегко зрозуміти, залишаючись у рамках законів тяжіння Ньютона. Поблизу поверхні чорної діри гравітація настільки сильна, що звичні ньютона закони перестають тут діяти. Їх слід замінити законами загальної теорії відносності Ейнштейна. Відповідно до одного з трьох наслідків теорії Ейнштейна, залишаючи масивне тіло, світло повинен відчувати червоне зміщення, так як він повинен відчувати червоне зміщення, так як він втрачає енергію на подолання гравітаційного поля зірки. Випромінювання, що приходить від щільної зірки, подібної до білого карлика - супутнику Сиріуса А, - лише злегка зміщується в червону область спектру. Чим щільніше зірка, тим більше це зсув, так що від надщільний зірки зовсім не буде приходити випромінювання у видимій області спектра. Але якщо гравітаційна дія зірки збільшується в результаті її стиснення, то сили тяжіння виявляються настільки великі, що світло взагалі не може залишити зірку. Таким чином, для будь-якого спостерігача можливість побачити чорну діру повністю виключена ! Але тоді природно виникає питання: якщо вона невидима, то як же ми можемо її виявити ? Щоб відповісти на це запитання, вчені вдаються до майстерним хитрощів. Руффіні і Уїллер досконально вивчили цю проблему і запропонували кілька способів нехай не побачити, але хоча б знайти чорну діру. Почнемо з того, що, коли чорна діра народжується в процесі гравітаційного колапсу, вона повинна випромінювати гравітаційні хвилі, які могли б перетинати простір зі швидкістю світла і на короткий час спотворювати геометрію простору поблизу Землі. Це спотворення проявилося б у вигляді гравітаційних хвиль, що діють одночасно на однакові інструменти, встановлені на земній поверхні на значних відстанях один від одного. Гравітаційне випромінювання могло б приходити від зірок, що зазнають гравітаційний колапс. Якщо протягом звичайного життя зірка оберталася, то, стискуючись і стаючи все менше і менше, вона буде обертатися все швидше, зберігаючи свій момент кількості руху. Нарешті вона може досягти такої стадії, коли швидкість руху на її екваторі наблизиться до швидкості світла, тобто до гранично можливої швидкості. У цьому випадку зірка виявилася б сильно деформованої і могла б викинути частину речовини. При такій деформації енергія могла б йти від зірки у вигляді гравітаційних хвиль з частотою близько тисячі коливань в секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер встановив пастки гравітаційних хвиль в Аргоннської національної лабораторії поблизу Чикаго і в Мерілендському університеті. Вони складалися з масивних алюмінієвих циліндрів, які повинні були коливатися, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Використовувані Вебером детектори гравітаційного випромінювання реагують на високі (1660 Гц), так і на дуже низькі (1 коливання в годину) частоти. Для детектування останньої частоти використовується чутливий гравиметр, а детектором є сама Земля. Власна частота квадрупольных коливань Землі дорівнює одному коливанню за 54 хв.

Всі ці пристрої повинні були спрацьовувати одночасно в момент, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Дійсно вони спрацьовували одночасно. Але на жаль, пастки включалися занадто часто - приблизно раз на місяць, що виглядало досить дивно. Деякі вчені вважають, що хоча досліди Вебера і отримані ним результати цікаві, але вони недостатньо надійні. З цієї причини багато ставляться досить скептично до ідеї детектування гравітаційних хвиль (експерименти по детектування гравітаційних хвиль, аналогічні дослідам Вебера, пізніше були перевірені в ряді інших лабораторій і не підтвердили результатів Вебера. В даний час вважається, що досліди Вебера помилкові).

Роджер Пенроуз, професор математики Біркбекського коледжу Лондонського університету, розглянув цікавий випадок колапсу і утворення чорної діри. Він також допускає, що чорна діра зникає, а потім виявляється в інший час в якійсь іншій всесвіту. Крім того, він стверджує, що народження чорної діри під час гравітаційного колапсу є важливою вказівкою на те, що з геометрією простору-часу відбувається щось незвичайне. Дослідження Пенроуза показують, що колапс закінчується утворенням сингулярності, тобто він повинен тривати до нульових розмірів і нескінченної щільності об'єкта. Останні умова дає можливість іншого всесвіту наблизитися до нашої сингулярності, і не виключено, що сингулярність перейде в цю нову всесвіт. Вона навіть може з'явитися в якому-небудь іншому місці нашої власної Всесвіту.

Деякі вчені розглядають утворення чорної діри як маленьку модель того, що, згідно прогнозам загальної теорії відносності, в кінцевому рахунку може статися зі Всесвіту. Загальновизнано, що ми живемо в незмінно розширюється Всесвіту, і один з найбільш важливих і нагальних питань науки стосується природи Всесвіту, її минулого і майбутнього. Без сумніву, всі сучасні результати спостережень вказують на розширення Всесвіту. однак на сьогодні один із самих каверзних питань такий: сповільнюється швидкість цього розширення, і якщо так, то не стиснеться Всесвіт через десятки мільярдів років, утворюючи сингулярність. Мабуть, коли-небудь ми зможемо з'ясувати, яким шляхом слід Всесвіт, але, бути може, багато раніше, вивчаючи інформацію, яка просочується при народженні чорних дір, і ті фізичні закони, які керують їх долею, ми зможемо передбачити остаточну долю Всесвіту.

Майже все своє життя зірка зберігає температуру і розмір практично постійними. Значення головної послідовності полягає в тому, що більшість звичайних зірок виявляються нормальними, тобто позбавленими яких-небудь особливостей. Ми вправі очікувати, що ці зірки підкоряються певним залежностям, подібним, наприклад, згаданої головної послідовності. Більшість зірок виявляються на цій похилій лінії - головної послідовності, тому, що зірка може прийти на цю лінію всього лише за кілька сотень тисяч років, а покинувши її, прожити ще кілька сотень мільйонів років, більшість зірок свідомо залишається на головній послідовності протягом мільярдів років. Народження і смерть - мізерно малі миті в житті зірки. Наше Сонце, що є звичайною зіркою, знаходиться на цій послідовності вже протягом 5-6 млрд. років і, мабуть, проведе на ній ще стільки ж часу, так як зірки з такою масою і таким хімічним складом, як у Сонця, живуть 10-12 млрд. років. Зірки багато меншої маси знаходяться на головній послідовності приблизно 50 млрд. років. Якщо ж маса зірки в 30 разів перевершує сонячну, то час її перебування на головній послідовності складе всього близько 1 млн. років.

Повернемося до розгляду процесів, провихідних при народженні зірки: вона продовжує стискатися, стиснення супроводжується зростанням температури. Температура повзе вгору, і ось величезний газова куля починає світитися, його вже можна спостерігати на тлі темного нічного неба як тьмяний червонуватий диск. Значна частка енергії його випромінювання як і раніше припадає на інфрачервону область спектру. Але це ще не зірка. У міру того як речовина протозірки ущільнюється, воно все швидше падає до центру, розігріваючи ядро зірки до все більш високих температур. Нарешті температура досягає 10 млн. До, і тоді починають протікати термоядерні реакції - джерело енергії всіх зірок у Всесвіті. Як тільки термоядерні процеси включаються в дію, космічне тіло перетворюється в повноцінну зірку.

Стискаючись, пил і газ утворюють протозірку; її речовина являє собою типовий зразок речовини навколишнього нас частини космічного простору. Говорячи про зразок речовини Всесвіту, ми маємо на увазі, що цей шматочок межзвезной середовища на 89% складається з водню, на 10%-з гелію; такі елементи, як кисень, азот, вуглець, неон і т. п. складають в ньому менше 1%, а всі метали, разом узяті, - не більше 0,25%. Таким чином, зірка в основному складається з тих елементів, які найчастіше зустрічаються у Всесвіті. І оскільки багатшими всього у Всесвіті представлений водень, то, звичайно, будь-які термоядерні реакції повинні протікати з його участю.

Подекуди зустрічаються куточки космічного простору з підвищеним вмістом важких елементів, але це лише місцеві аномалії - залишки давніх зоряних вибухів, разбросавших і розсіявши в околиці важкі елементи. Ми не будемо зупинятися на таких аномальних областях з підвищеною концентрацією важких елементів, а зосередимо увагу на зірках, що складаються в основному з водню.

Коли температура в центрі протозірки досягає 10 млн. До, починаються складні (але детально вивчені) термоядерні реакції, в ході яких з ядер водню (протонів) утворюються ядра гелію; кожні чотири протони, об'єднуючись, створюють атом гелію. Спочатку, коли з'єднуються один з одним два протони, виникає атом важкого водню, або дейтерію. Потім останній стикається з третім протоном, і в результаті реакції народжується легкий ізотоп гелію, що містить два протони і один нейтрон.

У сум'ятті, що панує в ядрі зірки, що швидко рухаються атоми легкого гелію іноді стикаються один з одним, в результаті чого з'являється атом звичайного гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Два зайвих протона повертаються назад в гарячу суміш, щоб коли-небудь знову вступити в реакцію, що породжує гелій. У цьому процесі близько 0,7% маси перетворюється на енергію. Описаний ланцюжок реакцій - один з важливих термоядерних циклів, що протікають в ядрах зірок при температурі близько 10 млн. К. Деякі астрономи вважають, що при більш низьких температурах можуть протікати інші реакції, в яких беруть участь літій, берилій і бор. Але вони тут же роблять застереження, що якщо такі реакції і мають місце, то їх відносний внесок у генерацію енергії незначний.

Коли температура в надрах зірки знову збільшується, в дію вступає ще одна важлива реакція, в якій в якості каталізатора бере участь вуглець. Розпочавшись з водню і вуглецю-12, така реакція призводить до утворення азоту-13, який спонтанно розпадається на вуглець-13 - ізотоп вуглецю, більш важкий, ніж той, з якого реакція начиналась.Углерод-13 захоплює ще один протон, перетворюючись в азот-14. Останній подібним же шляхом стає киснем-15. Цей елемент також нестійкий і в результаті спонтанного розпаду перетворюється в азот-15. І, нарешті, азот-15, приєднавши до себе четвертий протон, розпадається на вуглець-12 і гелій.

Таким чином, побічним продуктом цих термоядерних реакцій є вуглець-12, який може знову покласти початок реакцій даного типу. Об'єднання чотирьох протонів приводить до утворення одного атома гелію, а різниця в масі чотирьох протонів і одного атома гелію, що складає близько 0,7% від первісної маси, проявляється у вигляді енергії випромінювання зірки. На Сонці кожну секунду 564 млн. т водню перетворюється в 560 млн. т гелію, а різниця - 4 млн. т речовини - перетворюється в енергію і випромінюється в простір. Важливо, що механізм генерації енергії в зірці залежить від температури.

Саме температура ядра зірки визначає швидкість процесів. Астрономи вважають, що при температурі близько 13 млн. До вуглецевий цикл відносно незначний. Отже, при такій температурі переважає протон-протонний цикл. При збільшенні температури до 16 млн. До, ймовірно, обидва циклу дають рівний внесок у процес генерації енергії. Коли ж температура ядра піднімається вище 20 млн. До, переважаючим стає вуглецевий цикл.

Як тільки енергія зірки починає забезпечуватися за рахунок ядерних реакцій, гравітаційне стиснення, з якого почався весь процес, припиняється. Тепер самоподдерживающаяся реакція може продовжуватися протягом часу, тривалість якого залежить від початкової маси зірки і складає приблизно від 1 млн. років до 100 млрд. років і більше. Саме в цей період зірка досягає головної послідовності і починає своє довге життя, що протікає майже без змін. Цілу вічність проводить зірка в цій стадії. Нічого особливого з нею не відбувається, вона не залучає до себе пильної уваги. Тепер це всього-на-всього повноцінний член зоряної колонії, загублений серед безлічі побратимів.

Однак процеси, що протікають у ядрі зірки, несуть у собі зародки її прийдешнього руйнування. Коли дерево чи вугілля згоряють у каміні, виділяється тепло, а в якості продуктів відходу утворюються дим і зола. У "каміні" зоряного ядра водень - це вугілля, а гелій - зола. Якщо з каміна час від часу не видаляти золу, то вона може забити його і вогонь потухне.

Якщо в ядрі зірки речовина не перемішується, у термоядерних реакціях починають приймати участь шари, що безпосередньо примикають до гелиевому ядра, що забезпечує зірку енергією. Проте з часом запаси водню в цих шарах вичерпуються і ядро розростається все більше і більше. Нарешті досягається стан, коли в ядрі зовсім не залишається водню. Звичайні реакції перетворення водню в гелій припиняються ; зірка залишає головну послідовність і вступає в порівняно короткий (але цікавий) відрізок свого життєвого шляху, відзначений надзвичайно бурхливими реакціями.

Коли водню стає мало і він більше не може брати участь у реакціях, джерело енергії вичерпується. Але, як ми вже знаємо, зірка являє собою тонко збалансований механізм, у якому тиск, раздувающее зірку зсередини, повністю зрівноважений гравітаційним притяганням. Отже, коли генерація енергії слабшає, тиск випромінювання різко падає і сили тяжіння починають стискати зорю. Знову відбувається падіння речовини до її центру, багато в чому нагадує те, з якого почалося народження протозірки. Енергія, що виникає при гравітаційному стисненні, набагато більше енергії, виділюваної тепер у ядерних реакціях, а раз так, то зірка починає швидко стискуватися. В результаті верхні шари зірки нагріваються, вона знову розширюється і росте в розмірах до тих пір, поки зовнішні шари не стануть достатньо розрідженими, краще пропускають випромінювання зірки. Вважають, що зірка типу Сонця може збільшитися настільки, що заповнить орбіту Меркурія. Після того як зірка починає розширюватися, вона залишає головну послідовність і, як ми вже бачили, дні її тепер полічені. З цього моменту життя зірки починає хилитися до заходу.

Коли зірка стискується, за рахунок роботи сил тяжіння виділяється величезна енергія, яка роздуває зірку. Здавалося б, це повинно привести до падіння температури в ядрі. Але це не так. Проти очікування температура в ядрі зірки різко зростає. У відносно тонкому шарі навколо ядра все ще відбувається звичайне ядерне вигоряння водню, що призводить до збільшення вмісту гелію в ядрі. Коли в ядрі концентрується близько половини маси зірки, остання розширюється до свого максимального розміру і її колір з білого стає жовтим, а потім червоним, так як температура поверхні зірки зменшується. Тепер зірка вступає в нову фазу. Температура ядра росте до тих пір, поки не перевищить 200 млн. К. При такій температурі починає вигоряти гелій, в результаті чого утворюється вуглець. Три ядра гелію, зливаючись, перетворюються в ядро вуглецю, який виявляється більш легким, ніж три вихідних ядра гелію, тому така реакція також йде з виділенням енергії. Знову тиск радіації, яке відігравало настільки важливу роль, коли зірка знаходилася на головній послідовності, починає протидіяти тяжінню, і ядро зірки знову утримується від подальшого стиснення. Зірка повертається до звичайних розмірів ; у міру того як це відбувається, температура її поверхні росте і вона з червоної стає білою.

У цей момент по деяких загадкових причин зірка виявляється нестійкою. Астрономи вважають, що змінні зірки, тобто зірки, що періодично змінюють свою світність, виникають на цій стадії зоряної еволюції, так як процес стиску відбувається не гладко і на деяких його етапах виникають ритмічні коливання зірки. На цій стадії зірка може пройти через фазу нової, протягом якої вона раптово викидає в міжзоряний простір значна кількість речовини ; воно, приймаючи вигляд розширюється оболонки, може містити значну частину маси зірки. Спалахи деяких нових багаторазово повторюються, і це означає, що одного спалаху недостатньо, щоб зірка досягла стійкості. Але з часом вона набуває стійкість, коливання зникають, зірка починає свій довгий шлях до зоряного цвинтаря. Навіть на цій стадії зірка ще здатна до активності. Вона може стати наднової. Причина, по якій зірка виявляється здатною на таку активність, обумовлена кількістю речовини, що залишилися у неї до цієї стадії.

Коли ми обговорювали процеси, що протікають у надрах зірки, ми говорили, що основним продуктом ядерних реакцій є гелій. У міру того як переробляється все більше і більше водню, росте гелиевое ядро зірки. Водень зникає, отже, енерговиділення за рахунок цього джерела також припиняється. Але при температурі близько 200 млн. До відкривається ще один шлях, слідуючи якому гелій породжує більш важкі елементи, і в цьому процесі виділяється енергія. Два атома гелію з'єднуються, утворюючи атом берилію, який зазвичай знову розпадається на атоми гелію. Проте температури і швидкості реакцій настільки високі, що, перш ніж відбувається розпад берилію, до нього приєднується третій атом гелію і утворюється атом вуглецю.

Але процес не зупиняється, так як тепер атоми гелію, бомбардуючи вуглець, породжують кисень, бомбардуючи кисень, дають неон, а бомбардуючи неон, виробляють магній. На цій стадії температура ядра ще занадто низька для утворення більш важких елементів. Ядро знову стискається, і так продовжується до тих пір, поки температура не досягне величини близько мільярда градусів і не почнеться синтез більш важких елементів. Якщо в результаті подальшого стиснення ядра температура піднімається до 3 млрд. До, важкі ядра взаємодіють один з одним до тих пір, поки не утвориться залізо. Процес зупиняється. Якщо атоми гелію будуть бомбардувати ядра заліза, то замість утворення більш важких елементів відбудеться розпад ядер заліза.

На цій стадії життя зірки її ядро складається з заліза, оточеного шарами ядер більш легких елементів аж до гелію, а тонкий зовнішній шар утворений воднем, який ще забезпечує деяку кількість енергії. Нарешті настає час, коли водень виявляється повністю витрачених і це джерело енергії вичерпується. Перестають також діяти й інші механізми генерації енергії ; зірка позбавляється всяких засобів для відтворення своїх енергетичних запасів. Це означає, що вона повинна померти. Тепер, вичерпавши запаси ядерної енергії, зірка може тільки стискатися і використовувати гравітаційну енергію, щоб підтримати своє світіння. Зірка буде стискатися і яскраво світитися. Коли ж і ця енергія вичерпається, зірка починає змінювати свій колір від білого до жовтого, потім до червоного ; нарешті вона перестає випромінювати і починає безперервне подорож в неозорому космічному просторі у вигляді маленького темного неживого об'єкта. Але на шляху до згасання звичайна зірка проходить стадію білого карлика.