Czarne dziury tworzą się, gdy materia osiąga wystarczająco wielką gęstość. Światło nie jest prawie wcale odchylane przez gwiazdę małej gęstości, taką jak czerwony olbrzym. Biały karzeł, o gęstości l tony/cm3, także nie może uwięzić światła, choć może je znacznie odchylić. Jeszcze bardziej może zakrzywiać światło pole grawitacyjne gwiazdy neutronowej, która jest ok. 100 milionów razy gęstsza niż biały karzeł. Jeszcze gęstsza pozostałość po bardzo masywnej gwieździe zakrzywia promienie światła tak bardzo, że nie mogą uciec , jest to właśnie czarna dziura. Czas ulega spowolnieniu aż do zatrzymania na brzegu czarnej dziury - obszaru czasoprzestrzeni, z którego nie mogą wydostać się ani energia, ani materia. Gdybyśmy na drodze do czarnej dziury ułożyli jeden obok drugiego zegary, początkowo zsynchronizowane, to dla obserwatora z zewnątrz zegary dalekie od czarnej dziury wskazują czas normalnie - na przykład rejestrują upływ 45 minut pomiędzy chwilą początkową i końcową. Upływ czasu jest wolniejszy dla zegarów bliższych czarnej dziury. Jednak dla obserwatorów przy każdym z zegarów czas płynie normalnie. Blisko czarnej dziury przestrzeń jest deformowana równie drastycznie jak czas: wielkie siły grawitacyjne zdeformują i w końcu zniszczą każdy zbytnio przybliżający się obiekt. Już w 1783 r. John Mitchell, astronom i geolog, wysunął przypuszczenie, że grawitacja może działać na światło tak samo, jak na materię. W tym czasie hipoteza Newtona, że światło jest zbudowane z małych cząstek, „korpuskuł", była jeszcze aktualna, a więc i pomysł Mitchella nic wydawał się zbyt naciągany. Uczony doszedł do interesującego wniosku, że niektóre gwiazdy mogą być tak duże, że prędkości ucieczki z nich musiałyby przekraczać prędkość światła, a zatem wypromieniowane korpuskuły światła nie miałyby szans uciec w przestrzeń. Dla obserwatora takie masywne gwiazdy byłyby więc czarne, niewidzialne na nocnym niebie. Pierre Laplace, wielki francuski fizyk i matematyk, niezależnie wpadł na podobny pomysł. Jednak dla większości uczonych te idee były niczym więcej, jak tylko ciekawostką. Budziły nawet podejrzenia, gdyż nie widziano powodu, by zakładać, że światło może mieć jedną i tylko jedną prędkość we wszystkich warunkach. W pierwszych latach XIX w., gdy korpuskularna teoria Newtona ustąpiła przekonaniu, że światło jest zaburzeniem falowym, wydawało się tym bardziej nieprawdopodobne, by grawitacja była w stanie je uwięzić. Dopiero w 1915 r., wraz z narodzinami ogólnej teorii względności Einsteina, sytuacja całkiem się zmieniła. Zagięcie toru światła przez duże masy było jedną z konsekwencji teorii, a z chwilą, gdy obserwacje poczynione w czasie całkowitego zaćmienia Słońca w 1919 r. potwierdziły, że światło Jest faktycznie zaginane przez Słońce, odżył temat działania grawitacji na światło. Angielski fizyk Oliver Lodge obliczył, że ciało o „rozsądnej" masie mogłoby całkowicie uwięzić światło mając jedynie ogromną gęstość, której materia nie może osiągnąć, jak sobie wtedy wyobrażano. Później wysunięto ideę materii zdegenerowanej, materii o nie- samowitej gęstości; pomysł ten dodał rumieńców hipotezie „czarnych gwiazd". Jednak prawdziwe zainteresowanie tym przedmiotem zaczęło się dopiero w 1969 r. Wiedziano już wówczas z cala pewnością, że pewne galaktyki są silnymi źródłami promieniowania X, teraz zaś trzeba było stawić czoło problemowi, skąd się biorą ujawniane przez to promieniowanie ogromne ilości energii. Donald Lynden-Bell z uniwersytetu w Cambridge wysunął przypuszczenie, że rozwiązaniem zagadki mogą być supergęste obiekty. Tego rodzaju ciało przyciąga materię, nadając jej ogromne prędkości. Tworzy się tzw. dysk akrecyjny, składający się z materii, która obraca się wokół tego gęstego obiektu, zanim zostanie wchłonięta. Spadający materiał osiąga ogromną prędkość i wysyła w wielkich ilościach promieniowanie X. Teraz do akcji wkracza teoria względności. Ciało o tak wielkiej gęstości wytwarza potężne pole grawitacyjne. To zaś oznacza, że czasoprzestrzeń wokół gęstego obiektu jest niezwykle silnie zakrzywiona, co powoduje, że jego wnętrze jest całkowicie odcięte od zewnętrznego wszechświata. Kiedy już coś się do niego dostanie, nie może się wydostać. Dlatego obiekty takie nazywane są dziś czarnymi dziurami. Te dziury w czasoprzestrzeni mają również inne zadziwiające własności. Kiedy jakieś ciało zbliża się do czarnej dziury, silne pole grawitacyjne powoduje, że upływ czasu dla takiego ciała, mierzony przez zewnętrznego obserwatora, spowalnia się. Częstość światła wysyłanego przez ciało spada (oznacza to przesunięcie ku czerwieni), a światło słabnie. Ciało zbliża się do tzw. horyzontu zdarzeń, otaczającego czarną dziurę, lecz nigdy go całkiem nie osiąga; w końcu „zawisa" nad horyzontem — tak się wydaje zewnętrznemu obserwatorowi, który nie może zobaczyć momentu wpadnięcia ciała do czarnej dziury. W układzie odniesienia związanym z ciałem nie będzie widocznej zmiany tempa upływu czasu. Jednak ogromne siły, na które wystawiony będzie spadający obiekt, rozerwą wszelkie ciała makroskopowe i z pewnością uniemożliwią przetrwanie jakiejkolwiek żywej istoty. Zniszczeniu ulega każda struktura, tak że materia wewnątrz czarnej dziury traci wszelką indywidualność - całą „pamięć" o tym, co było przedtem. Spada ku punktowi nazywanemu przez matematyków osobliwością, gdzie gęstość materii staje się nieskończona, a czasoprzestrzeń redukuje się do punktu. Wydaje się, że w rzeczywistości czarne dziury, które powstają z obracającej się materii, same również rotują. Brytyjski kosmolog Stephen Hawking i jego koledzy ustalili, że takie czarne dziury mogą być opisane równaniami, które po raz pierwszy sformułował Nowozelandczyk Roy Kerr. Obszar wokół horyzontu zdarzeń obracającej się czarnej dziury jest nazywany ergosferą. Jest to część czasoprzestrzeni, w której czarna dziura oddziałuje z resztą wszechświata. Z równań Kerra wynika, że gdy materia spada na czarną dziurę poprzez ergosferę, to pole powierzchni horyzontu wzrasta. Jednak, co wydaje się dziwne, ta spadająca materia może wywołać zmniejszenie się masy, pod warunkiem, że moment pędu czarnej dziury również się zmniejszy. Mimo przytoczonych wyżej właściwości czarnych dziur, okazuje się, że mogą one emitować energię. Proces ten opisany został przez Stephena Hawkinga, który zastosował prawa teorii kwantowej i termodynamiki do czarnych dziur; rezultaty okazały się bardzo interesujące. Po pierwsze, czarne dziury mają określoną temperaturę, tym większą, im mniejsza jest ich masa. Temperatura ta jest znikoma w normalnej skali: dla stosunkowo małej czarnej dziury o masie zwykłej gwiazdy wynosiłaby ona 10-7 K. Hawking sądzi, że bardzo małe czarne dziury mogły powstać z bardzo gęstej materii zgniecionej we wczesnych stadiach Wielkiego Wybuchu. Jako małe obiekty o bardzo wysokich temperaturach mogłyby obecnie ,,parować" w formie wybuchów, zawstydzających swą siłą sztuczne eksplozje jądrowe. Do dziś nie zaobserwowano jednak promieniowania z takich minidziur i wydaje się możliwe, że Wielki Wybuch był zbyt jednorodny, aby się utworzyły. Czarne dziury o większych masach prawdopodobnie istnieją. Gdzie są? Wydaje się, że niektóre znajdują się w jądrach galaktyk spiralnych i eliptycznych. Tworzą się także w wyniku katastrofalnego zapadania bardzo dużych gwiazd, a także, być może, podczas degeneracji dziwnych, supermasywnych obiektów, zwanych spinarami. Istnienie tych ostatnich jest niepewne. Mogłyby mieć masy ok. 10 milionów mas Słońca, skupione w małej objętości. Uważa się, że obiekty takie, czasem nazywane też magnetoidami, ze względu na ich niezwykle silne pola magnetyczne, mogą kryć się w jądrach aktywnych galaktyk. Szybki obrót chroni je przed zapadnięciem się. Po wyczerpaniu energii rotacji tworzą czarne dziury. W całej przestrzeni stale pojawiają się, a następnie znikają cząstki wirtualne. Pojawiają się parami cząstka-a nty-cząstka, więc nie powoduje to tworzenia ani ładunku elektrycznego, ani spinu. Produkcja par jest pobudzana przez pole grawitacyjne masywnego ciała. Gdy zdarza się to blisko czarnej dziury, jedna z cząstek może do niej wpaść, podczas gdy druga ucieknie. Ta, która ucieka, unosi energię, cząstka złapana wnosi energię ujemną do czarnej dziury. W rezultacie czarna dziura promieniuje energię o widmie podobnym do widma ciała o określonej temperaturze. Proces rozpadu czarnej dziury jest niezwykle powolny. Wyparowanie czarnej dziury o masie Słońca zajęłoby czas l O56 razy dłuższy od obecnego wieku wszechświata.