Czarna dziura, kosmiczne ciało o niezwykle intensywnej grawitacji, z którego nic, nawet światło, nie może uciec. Czarna dziura może powstać w wyniku śmierci masywnej gwiazdy. Kiedy taka gwiazda wyczerpie wewnętrzne paliwa termojądrowe w swoim rdzeniu pod koniec swojego życia, jądro staje się niestabilne i grawitacyjnie zapada się do wewnątrz, a zewnętrzne warstwy gwiazdy zostają zdmuchnięte. Miażdżąca masa materii składowej spadającej ze wszystkich stron ściska umierającą gwiazdę do punktu o zerowej objętości i nieskończonej gęstości zwanej osobliwość.
Szczegóły dotyczące struktury czarnej dziury są obliczane przez Albert Einstein w „Ogólnej teorii względności. Osobliwość stanowi środek czarnej dziury i jest ukryty w powierzchni obiektu. W horyzoncie zdarzeń prędkość ucieczki (tj. prędkość potrzebna do ucieczki materii z pola grawitacyjnego obiektu kosmicznego) przekracza prędkość światła, tak że nawet promienie światła nie mogą uciec w przestrzeń. Promień horyzontu zdarzeń nazywa się Promieniem Schwarzschilda, za niemieckim astronomem Karlem Schwarzschildem, który w 1916 roku przewidział istnienie zapadniętych ciał gwiazdowych, które nie emitują promieniowania. Rozmiar promienia Schwarzschilda jest proporcjonalny do masy zapadającej się gwiazdy. W przypadku czarnej dziury o masie 10 razy większej od masy Słońca promień wyniósłby 30 km (18,6 mil).
Tylko najbardziej masywne gwiazdy – te mające więcej niż trzy masy Słońca – stają się czarnymi dziurami pod koniec swojego życia. Gwiazdy o mniejszej masie ewoluują w mniej ściśnięte ciała, białe karły lub gwiazdy neutronowe.
Czarnych dziur zwykle nie można obserwować bezpośrednio ze względu zarówno na ich mały rozmiar, jak i na to, że nie emitują światła. Można je jednak „zaobserwować” po wpływie ich ogromnych pól grawitacyjnych na pobliską materię. Na przykład, jeśli czarna dziura jest członkiem podwójnego układu gwiezdnego , materia wpływająca do niej od jej towarzysza staje się intensywnie podgrzewana, a następnie emituje obficie promieniowanie rentgenowskie, zanim wejdzie w horyzont zdarzeń czarnej dziury i zniknie na zawsze. Jedna z gwiazd składowych podwójnego układu rentgenowskiego Cygnus X-1 to czarna dziura. Odkryty w 1971 roku w konstelacji Łabędzia, ten układ podwójny składa się z niebieskiego nadolbrzyma i niewidzialnego towarzysza o masie 14,8 razy większej od masy Słońca, które krążą wokół siebie w okresie 5,6 dnia.
Niektóre czarne dziury mają najwyraźniej pochodzenie pozagwiazdowe. Różni astronomowie spekulowali, że duże ilości gazu międzygwiazdowego gromadzą się i zapadają super masywne czarne dziury w centrach kwazarów i galaktyk. Szacuje się, że masa gazu spadającego gwałtownie do czarnej dziury wydziela ponad 100 razy więcej energii, niż jest uwalniana przez taką samą masę w wyniku syntezy jądrowej. W związku z tym zapadnięcie się milionów lub miliardów mas Słońca międzygwiazdowego gazu w wielką czarną dziurę pod wpływem siły grawitacji odpowiadałoby za olbrzymią produkcję energii kwazarów i niektórych układów galaktycznych.
Jedna taka supermasywna czarna dziura, Sagittarius A * , znajduje się w środku Drogi Mlecznej. Obserwacje gwiazd krążących wokół Sagittarius A * pokazują obecność czarnej dziury o masie równoważnej ponad 4 000 000 Słońc. (W przypadku tych obserwacji amerykański astronom Andrea Ghez i niemiecki astronom Reinhard Genzel otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku) Supermasywne czarne dziury wykryto również w innych galaktykach. W 2017 roku Event Horizon Telescope uzyskał obraz supermasywnej czarnej dziury w środku Galaktyki M87 . Ta czarna dziura ma masę równą sześciu i pół miliardowi Słońc, ale ma tylko 38 miliardów km (24 miliardy mil) średnicy. Była to pierwsza czarna dziura, która została zobrazowana bezpośrednio. O istnieniu jeszcze większych czarnych dziur, z których każda ma masę równą 10 miliardów Słońc, można wywnioskować na podstawie efektów energetycznych gazu wirującego z ekstremalnie dużymi prędkościami wokół środka NGC 3842 i NGC 4889, galaktyki w pobliżu Drogi Mlecznej.
Istnienie innego rodzaju niegwiazdowej czarnej dziury zaproponował brytyjski astrofizyk Stephen Hawking. Zgodnie z teorią Hawkinga, wiele malutkich pierwotnych czarnych dziur, prawdopodobnie o masie równej lub mniejszej od masy asteroidy, mogło powstać podczas Wielkiego Wybuchu, stanu ekstremalnie wysokich temperatur i gęstości, w którym wszechświat powstał 13,8 miliarda lat temu. Te tzw. mini czarne dziury, podobnie jak bardziej masywna odmiana, tracą masę w czasie pod wpływem promieniowania Hawkinga i znikają. Jeśli pewne teorie wszechświata, które wymagają dodatkowych wymiarów, są poprawne, Wielki Zderzacz Hadronów może wytworzyć znaczną liczbę mini czarnych dziur.
