Звездные черные дыры являются результатом чрезвычайно бурных процессов в космосе: взрывов выгоревших звезд. Судьба звезд зависит от их массы и состава. Когда их «топливо» заканчивается, они сначала сильно раздуваются, а затем разрушаются. Это происходит тем быстрее, чем больше или тяжелее звезда; лишние расходы приводят к более быстрому разрушению.

Звезды с массой ниже критического предела, то есть легче 1,4 солнечной массы, в конечном итоге сжимаются, образуя белую карликовую звезду. То же самое произойдет и с Солнцем, но только через 7 миллиардов лет, после того как оно, превратившись в красного гиганта, поглотит планеты Меркурий, Венеру и Землю. Белые карлики – то есть «голые» ядра звезд – ненамного больше Земли, но гораздо массивнее. Они имеют плотность более тонны на кубический сантиметр и состоят из так называемой вырожденной материи, в которой атомные ядра сжаты вместе, а свободные электроны прижаты к ним. Наиболее известными примерами белых карликов являются звезды Сириус В и Процион В.

Гигантские звезды, масса которых более чем в 8 раз превышает массу нашего Солнца, взрываются после того, как раздуваются до размеров красных гигантов. За несколько минут они выделяют больше энергии, чем все мирно светящиеся звезды во всей галактике. Такой мощный взрыв называется сверхновой. Внешние слои выгоревшей звезды выбрасываются в космос со скоростью около 1000 километров в секунду. Обломки обогащают космический круговорот материи и могут служить сырьем для образования новых звезд и планет. Земля также частично возникла из пепла таких звездных взрывов. А в метеоритах – камнях, упавших с неба – ученые даже обнаружили следы элементов нескольких сверхновых, остатки которых вошли в состав первичных тел, из них 4,6 миллиарда лет назад образовалась наша Солнечная система.

Однако не вся материя выбрасывается в космос во время взрыва сверхновой. Ядро звезды разрушается под действием собственной гравитации и образует чрезвычайно плотные, компактные остатки. В большинстве случаев это так называемая нейтронная звезда. Как следует из названия, она состоит в основном из электрически нейтральных частиц – нейтронов. Они образовались тысячами, когда электроны были «втолкнуты» в протоны во время ядерного коллапса. Нейтронные звезды имеют диаметр всего около 20 километров и настолько плотны, что чайная ложка их вещества весила бы более 100 миллионов тонн. Весь объем воды пяти Великих озер между Канадой и США можно было бы легко уместить в кухонной раковине, если бы он был сжат так же, как вещество нейтронной звезды.

Если масса ядра звезды превысит определенную величину, коллапс нейтронной звезды не остановится. Даже сильное взаимодействие – самая мощная сила природы, существующая только в субатомном мире – не может противостоять гравитации. Его невозможно остановить, и коллапс материи приводит к бездонной яме: образуется черная дыра. Минимальная масса составляет около трех масс Солнца. Однако масса звезды-прародительницы должна превышать 40 солнечных масс, поскольку большую часть своего вещества она выбрасывает в космос: сначала в виде звездного ветра, а затем при взрыве сверхновой.

Черные дыры представляют собой максимальные уплотнения материи. Больше массы невозможно сконцентрировать в заданном объеме. Размер черной дыры (если она не вращается и не заряжена) зависит только от ее массы m и может быть рассчитана с помощью формулы, выведенной Карлом Шварцшильдом в 1916 году как часть общей теории относительности. Радиус Шварцшильда R_s, названный в его честь, рассчитывается следующим образом: R_s=2Gm/c², где G – гравитационная постоянная Ньютона, ас – скорость света. Таким образом, для любого объекта, масса которого известна, можно рассчитать, насколько малым он будет, если превратится в черную дыру. Радиус Шварцшильда Солнца составляет чуть менее трех километров, а радиус Земли – около девяти миллиметров. Типичная черная дыра массой в десять солнечных масс имеет радиус 30 километров. А все звезды Млечного Пути поместились бы в черной дыре радиусом около 0,05 светового года.