Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, w którym grawitacja jest tak potężna – wynikająca z ogromnej masy skoncentrowanej w niewielkiej przestrzeni – że nic, nawet światło, nie jest w stanie z niej uciec. Stanowi ona punkt bez powrotu (horyzont zdarzeń) i zazwyczaj powstaje w wyniku zapadania się masywnych gwiazd pod koniec ich cyklu życia. Czarne dziury nie „wciągają” wszystkiego we wszechświecie – pod względem grawitacyjnym zachowują się tak samo jak każde inne ciało o podobnej masie.
Główne cechy czarnej dziury:
Horyzont zdarzeń – to jest typowa granica czarnej dziury. Wszystko, co ją przekroczy, pozostaje uwięzione na zawsze. Jest to ostatni cień, głęboka czarna poświata, która potrafi pochłonąć całe światło i nigdy więcej go nie wypuścić. Co to oznacza w praktyce? Jest to ostatni cień przed głęboką czernią, która jest w stanie pochłonąć całe światło, tak by nigdy więcej go nie wypuścić.
Singularity: Centrum czarnej dziury, gdzie gęstość materii i siła grawitacji dążą do nieskończoności, a znane prawa fizyki przestają obowiązywać. Wewnątrz czarnej dziury czas i przestrzeń zamieniają się rolami. Czas nie płynie „do przodu”, lecz zostaje „zablokowany” w drodze do osobliwości, a ruch w przestrzeni nieuchronnie zmierza w kierunku centrum.
Niewidzialność: Ponieważ światło nie może się z nich wydostać, czarnych dziur nie da się zaobserwować bezpośrednio. Ich obecność wykrywa się poprzez obserwację ich oddziaływania na otoczenie (np. przyciąganie materii i tworzenie dysków akrecyjnych).
Czarne dziury o masie gwiazdowej powstają w wyniku zapadnięcia się jądra umierającej, masywnej gwiazdy. Materia (gwiazdy, gaz) jest przyciągana, tworząc wirujący, niezwykle gorący dysk, który emituje intensywne promieniowanie (promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma).
W czarnej dziurze materia jest zgniatana przez ekstremalną grawitację w kierunku centralnej osobliwości, gdzie czasoprzestrzeń ulega nieskończonej krzywiznie, łamiąc prawa znanej fizyki, a obiekt (lub astronauta) zostaje rozciągnięty i zgnieciony w „spaghetti”. Materia wpadająca do czarnej dziury tworzy gorący, świecący dysk akrecyjny, emitujący promieniowanie, zanim przekroczy horyzont zdarzeń, poza który nic nie może uciec, nawet światło. Wewnątrz horyzontu czas i przestrzeń wydają się odwracać, a ruch jest możliwy wyłącznie w kierunku centrum.
Znane czarne dziury najczęściej należą do jednej z dwóch grup:
czarne dziury o masie gwiazdowej (od kilku do kilkunastu mas Słońca),
czarne dziury o masie co najmniej 100 000 razy większej od masy Słońca.
Czarne dziury o masie gwiazdowej powstają w wyniku grawitacyjnego zapadnięcia się bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia.
Kolejną kategorią są supermasywne czarne dziury o masach przekraczających miliony mas Słońca. Przypuszcza się, że takie czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk. Główny wzrost masy supermasywnej czarnej dziury w centrum typowej galaktyki miał miejsce, gdy galaktyka przechodziła fazę intensywnej aktywności, i uważa się, że są one „silnikami” napędzającymi aktywne jądra galaktyczne, takie jak kwazary. Obiekty te są niezwykle gęste, a ich przyciąganie grawitacyjne uniemożliwia ucieczkę nawet światła. Istnieją przekonujące dowody na istnienie czarnej dziury o masie około 4 milionów mas Słońca w centrum Drogi Mlecznej.
Obiekt Q0906+6930 zawiera czarną dziurę o masie przekraczającej 10 miliardów mas Słońca.
Istnieją również czarne dziury o masie pośredniej, plasujące się pomiędzy czarnymi dziurami gwiezdnymi a supermasywnymi, a najcięższe z nich określa się czasem mianem ultramasywnych.
14 września 2015 r. obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) po raz pierwszy w historii zarejestrowało fale grawitacyjne powstałe w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur znajdujących się w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Obserwacja ta potwierdza teoretyczne przewidywania Einsteina i innych naukowców, że takie zdarzenie może mieć miejsce. Po pierwsze, potwierdza ono, że podwójne czarne dziury rzeczywiście istnieją w przestrzeni kosmicznej. Po drugie, otwiera ono drogę do praktycznej obserwacji natury grawitacji oraz zrozumienia zjawisk zachodzących w przestrzeni kosmicznej, w tym Wielkiego Wybuchu i tego, co nastąpiło po nim. Odkrycie to zostało oficjalnie ogłoszone 11 lutego 2016 r., po wielu miesiącach weryfikacji wyników.
