Черная дыра — это область пространства-времени, которую ничто, даже свет, не может покинуть. Компактная масса могла бы искривить пространство-время до такой степени, что образовалась бы черная дыра. Общая теория относительности и другие теории гравитации утверждают, что черные дыры могут образовываться в природе до тех пор, пока в данной области пространства накапливается достаточно массы, посредством процесса, называемого гравитационным коллапсом. По мере накопления массы в определенной области пространства-времени ее гравитация усиливается, а пространство вокруг нее сильно деформируется. Количественный анализ этой идеи приводит к предсказанию, что звезда с массой, примерно в три раза превышающей массу Солнца, почти неизбежно достигнет точки в своей эволюции, когда она израсходует все свое ядерное топливо и коллапсирует до критического размера, необходимого для гравитационного коллапса. . Как только он начинается, коллапс не может быть остановлен никакими физическими силами, и в результате образуется черная дыра. Вокруг черной дыры формируется математически поддающаяся определению поверхность, называемая горизонтом событий, которая отмечает место, из которого возврат невозможен.
Черные дыры образуются, когда очень массивные звезды коллапсируют в конце своего жизненного цикла. После образования черной дыры она продолжает расти, поглощая материю из окружающего пространства. Поглощая другие звезды и сливаясь с другими черными дырами, за миллиарды лет могут образоваться сверхмассивные черные дыры с массами, в миллионы раз превышающими массу Солнца. Сверхмассивную черную дыру также называют квазаром. Обычно считается, что сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик. Имеются веские доказательства существования черной дыры с массой более 4 миллионов солнечных в центре нашей галактики Млечный Путь. Он расположен рядом с регионом под названием Стрелец-А. Звезда S2 обращается вокруг нее по эллиптической орбите на расстоянии 17 световых часов. По движению S2 можно сказать, что масса черной дыры как минимум в 4,1 миллиона раз превышает массу Солнца. Все галактики, вероятно, имеют сверхмассивную черную дыру в центре. Поскольку ничто не может покинуть черную дыру, наблюдатель вне ее не может получить информацию о процессах, происходящих внутри нее. Черные дыры не имеют наблюдаемых внешних свойств, которые можно использовать для определения того, что происходит внутри них. Согласно классической общей теории относительности, черные дыры можно полностью охарактеризовать тремя параметрами: массой, угловым моментом и электрическим зарядом. Внутренняя часть черной дыры невидима для нас, существует и может быть обнаружена путем взаимодействия со звездами и планетами вокруг нее. Черные дыры не могут быть обнаружены по свету, который излучается или отражается от материи внутри них. Их все еще можно увидеть через явления вокруг них, такие как искажение пути света, проходящего поблизости, или звезды, которые кажутся вращающимися вокруг пространства, где нет видимой материи. Считается, что наиболее очевидный эффект возникает, когда материя падает в черную дыру, которая (подобно воде, стекающей по канализации) должна собраться в чрезвычайно горячем и быстро вращающемся аккреционном диске вокруг объекта, прежде чем будет поглощена им. Трение между соседними областями диска сильно нагревает его и излучает большое количество рентгеновских лучей. Этот нагрев особенно эффективен и может преобразовать около 50% массы объекта в излучение. Для сравнения, ядерный синтез может преобразовать лишь несколько процентов массы. Другими предсказанными эффектами являются тонкие струи частиц с релятивистскими скоростями, выбрасываемые вдоль оси диска. Горизонт событий Это воображаемая сферическая поверхность, окружающая всю массу черной дыры. На горизонте событий вторая космическая скорость равна скорости света. Таким образом, ничто изнутри, включая фотоны, не может пересечь горизонт событий из-за чрезвычайно сильного гравитационного поля. Частицы за пределами этой области могут упасть, пересечь горизонт событий, не имея возможности покинуть его снова. В центре горизонта событий находится сингулярность, место, где согласно общей теории относительности пространство-время имеет бесконечную кривизну (т. е. гравитация стремится к бесконечности). Искажение пространства-времени в сильных гравитационных полях вызывает замедление времени. Вблизи черной дыры временная задержка сильно возрастает. С точки зрения стороннего наблюдателя кажется, что объекту требуется бесконечно много времени, чтобы приблизиться к горизонту событий, и в этот момент исходящий от него свет бесконечно краснеет. Для удаленного наблюдателя кажется, что объект падает все медленнее и медленнее, но никогда не достигает горизонта событий. Однако с точки зрения самого падающего объекта время достижения горизонта событий и достижения сингулярности конечно.