Hình minh họa một hố đen cùng với bạn đồng hành của nó chuyển động gần nhau đến mức khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn giới hạn Roche. Vật chất của ngôi sao gần đó bị hố đen nuốt tạo nên một vòng cung vật chất, một lượng vật chất năng lượng cao được phóng ra ở hai cực.

Hố đen, còn gọi là lỗ đen, là một vật thể có mật độ khối lượng lớn đến nỗi lực hấp dẫn làm cho mọi vật thể không thể nào thoát ra được, trừ việc xuyên qua đường hầm lượng tử. Truờng hấp dẫn mà hố đen tạo ra rất lớn, vì vậy, vận tốc thoát ở vùng gần hố đen lớn hơn vận tốc ánh sáng. Điều này dẫn đến việc không có vật thể nào, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra ngoài hố đen. Từ "hố đen" xuất phát từ một nghĩa rộng, nó không chỉ dừng lại ở khái niệm "hố" mà còn là một vùng không gian ảnh hưởng bởi hố đen. Lý thuyết về hố đen là một trong số các lý thuyết hiếm hoi trong vật lý bao trùm mọi thang đo khoảng cách, từ kích thước cực nhỏ (thang Planck) đến kích thước quan sát vũ trụ, do vậy có thể kiểm chứng cùng lúc thuyết lượng tử (cho thang nhỏ) và thuyết tương đối (cho thang lớn).

Hố đen được dự đoán bởi lý thuyết tương đối rộng. Theo mô hình thuyết tương đối rộng cổ điển, không một vật chất hay thông tin nào có thể thoát ra khỏi hố đen để tới tầm quan sát bên ngoài được. Tuy nhiên, các hiệu ứng của cơ học lượng tử, không có trong thuyết tương đối rộng cổ điển, có thể cho phép vật chất và năng lượng bức xạ từ các hố đen. Một số lý thuyết cho rằng bản chất tự nhiên của bức xạ không phụ thuộc vào những thứ đã rơi vào trong hố đen trong quá khứ, nói cách khác hố đen xóa sạch mọi thông tin quá khứ, đây là nghịch lý thông tin hố đen. Nghịch lý này dường như đã được loại bỏ bởi lý thuyết gần đây và dường như thông tin vẫn được bảo toàn trong hố đen.

Sự tồn tại của các hố đen trong vũ trụ được củng cố bởi các quan sát thiên văn, cụ thể là việc nghiên cứu về các sao siêu mới và các bức xạ tia X từ các lò hoạt động hạt nhân vũ trụ.
 

Lịch sử

Khái niệm một vật thể nặng đến độ ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi vật đó đã được một nhà khoa học người Anh John Michell đưa ra vào năm 1783 trên một bài báo khoa học đăng trên tạp chí của Viện hàn lâm Hoàng gia Anh Quốc. Lúc bấy giờ, lý thuyết cơ học cổ điển của Isaac Newton về hấp dẫn và khái niệm vận tốc thoát đã được biết. Michell đã tính rằng, một vật thể có bán kính gấp 500 lần Mặt Trời và có mật độ bằng mật độ Mặt Trời thì vận tốc thoát ở bề mặt của nó bằng vận tốc ánh sáng, và do đó không ai có thể nhìn thấy nó.

Mặc dù ông nghĩ rằng điều đó rất khó xảy ra nhưng vẫn nghiên cứu khả năng rất nhiều các vật thể như thế không thể được quan sát trong vũ trụ.

Năm 1796, một nhà toán học người Pháp Pierre-Simon Laplace cũng đưa ra ý tưởng tương tự trong lần xuất bản thứ nhất và thứ hai của cuốn sách của ông, nhưng trong các lần xuất bản sau thì không đưa vào nữa. Trong suốt thế kỷ thứ 19, ý tưởng đó không gây chú ý vì người ta cho rằng ánh sáng là sóng nên không có khối lượng, và do đó không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn.

 

Năm 1915, Einstein đưa ra một lý thuyết hấp dẫn gọi là lý thuyết tương đối rộng. Trước đó ông đã cho thấy ánh sáng bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn. Mấy tháng sau, Karl Schwarzschild đã đưa ra nghiệm cho trường hấp dẫn của một khối lượng điểm và tiên đoán về lý thuyết sự tồn tại của một vật thể mà ngày nay được gọi là hố đen. Ngày nay, bán kính Schwarzschild được coi là bán kính của một hố đen không quay, nhưng vào lúc bấy giờ người ta không hiểu rõ về nó. Bản thân Schwarzschild cũng từng nghĩ rằng nó không có ý nghĩa vật lý.

Vào những năm 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar đã cho tính toán rằng một vật thể không quay có khối lượng lớn hơn một giá trị nhất định mà ngày nay được biết là giới hạn Chandrasekhar, sẽ suy sập dưới lực hấp dẫn của chính nó và không có gì có thể cản trở quá trình đó diễn ra. Tuy nhiên, một nhà vật lý khác là Arthur Eddington chống lại giả thuyết đó và cho rằng chắc chắn sẽ có cái gì đó xảy ra để không cho vật chất suy sụp đến mật độ vô hạn.

Năm 1939, Robert Oppenheimer và H. Snyder tiên đoán rằng các ngôi sao nặng sẽ phải chịu quá trình suy sập do hấp dẫn. Các hố đen có thể hình thành trong tự nhiên. Trong một thời gian, người ta gọi các vật thể như vậy là các "ngôi sao bị đóng băng" vì sự suy sập sẽ bị chậm đi một cách nhanh chóng và ngôi sao sẽ trở nên rất đỏ khi đạt đến gần giới hạn Schwarzschild. Tuy vậy, các vật thể nặng như thế không được quan tâm lắm cho đến cuối những năm 1960. Phần lớn các nhà vật lý, vào lúc đó, tin rằng hố đen là một nghiệm đối xứng cao đặc biệt do Schwarzschild tìm ra, và các vật thể bị suy sập trong tự nhiên sẽ không tạo nên các hố đen.
 

Việc nghiên cứu về hố đen trở nên sôi nổi vào năm 1967 do sự tiến bộ của lý thuyết và thực nghiệm. Stephen Hawking và Roger Penrose đã chứng minh rằng các hố đen là các nghiệm tổng quát của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, và sự suy sập để tạo nên hố đen, trong một số trường hợp, là không thể tránh được. Sự quan tâm đến lĩnh vực này còn được khởi phát từ việc tìm ra sao pulsar. Ngay sau đó, nhà vật lý John Wheeler đã sử dụng từ "hố đen" để chỉ các vật thể sau khi bị suy sập đến mật độ vô hạn mặc dù trước đó một thời gian, từ "ngôi sao đen" thỉnh thoảng được sử dụng.

Các khái niệm

Nghiên cứu hố đen yêu cầu các kiến thức về lý thuyết tương đối rộng của không-thời gian cong: tính chất đặc biệt nhất là sự biến dạng của không-thời gian xung quanh các hố đen.

 

Chân trời sự kiện

"Bề mặt" của hố đen được gọi là chân trời sự kiện, đó là một bề mặt ảo xung quanh hố đen. Stephen Hawking đã sử dụng định lý Gauss-Bonnet để chứng minh rằng hình học tô-pô của chân trời sự kiện của một hố đen (bốn chiều) là một hình cầu. Tại chân trời sự kiện, vận tốc thoát chính bằng vận tốc ánh sáng. Do đó, bất kỳ vật gì, kể cả quang tử bên trong chân trời sự kiện đều không thể thoát khỏi chân trời sự kiện đó vì trường hấp dẫn quá mạnh của hố đen. Các hạt bị rơi vào hố đen sẽ không thể thoát ra được.

Theo lý thuyết tương đối rộng cổ điển, các hố đen có thể hoàn toàn được đặc trưng bởi ba thông số: khối lượng, mô men động lượng và điện tích. Nguyên lý này đã được John Wheeler tóm tắt trong câu nói "hố đen không có tóc".

Các vật thể chuyển động trong trường hấp dẫn thì thời gian sẽ bị chậm đi được gọi là sự giãn nở của thời gian. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong một thí nghiệm phóng tên lửa do thám vào năm 1976, và được tính đến trong Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Gần chân trời sự kiện, sự giãn nở thời gian xảy ra rất nhanh. Đối với một người quan sát từ bên ngoài thì họ sẽ đợi một khoảng thời gian vô tận để quan sát vật thể khi vật thể đến gần chân trời sự kiện vì ánh sáng từ vật thể bị dịch chuyển vô hạn về phía đỏ.

Điểm kỳ dị

Tại tâm của hố đen, bên trong chân trời sự kiện, lý thuyết tương đối rộng tiên đoán có một điểm kỳ dị (singularity), tại đó độ cong của không thời gian trở nên vô hạn và lực hấp dẫn cũng mạnh vô hạn. Không-thời gian bên trong chân trời sự kiện rất đặc biệt, trong đó tất cả các đều chuyển động vào tâm mà không thể cưỡng lại được (Penrose và Hawking). Điều này có nghĩa là tồn tại một sai lầm về khái niệm về hố đen mà John Michell đề xuất trước đây. Theo lý thuyết của Michell, vận tốc thoát bằng vận tốc ánh sáng, tuy vậy, vẫn còn một xác suất lý thuyết để vật thể có thể thoát ra giống như kéo vật thể ra ngoài bằng một sợi dây. Lý thuyết tương đối rộng loại bỏ những kẽ hở (loophole) như thế này vì vật thể nằm trong chân trời sự kiện thì thời gian tuyến sẽ có một điểm kết cho bản thân thời gian, và không thể có được vũ trụ tuyến khả dĩ mà có thể thoát ra khỏi hố đen được.

Người ta tin rằng những tiến triển hoặc khái quát hóa lý thuyết tương đối rộng trong tương lai (đặc biệt là hấp dẫn lượng tử) sẽ làm thay đổi suy nghĩ của chúng ta về phần bên trong của hố đen. Phần lớn các nhà lý thuyết đều giải thích điểm kỳ dị về toán học của các phương trình là dấu hiệu cho thấy lý thuyết hiện hành là không hoàn thiện, và rằng các hiện tượng mới sẽ được phát hiện khi ta tiến gần đến điểm kỳ dị. Câu hỏi này có thể rất hàn lâm vì giả thuyết giám sát vũ trụ đòi hỏi không thể có mặt các điểm kỳ dị trần trụi trong lý thuyết tương đối rộng: mỗi điểm kỳ dị phải nấp sau chân trời sự kiện và không thể bị khám phá.

Một trường phái tư tưởng khác cho rằng chẳng có điểm kỳ dị nào cả, bởi vì, các lực giống như lực gây ra thủy triều sẽ làm giảm mật độ vật chất khi nó đi xuyên qua chân trời sự kiện. Nếu một nhà du hành vũ trụ lỡ để chân của anh ta rơi vào hố đen thì các lực thủy triều dọc theo bán kính sẽ kéo đầu và chân của anh ta theo hai hướng ngược nhau và do đó, sẽ làm giảm mật độ (tức là tăng thể tích) trong khi đó thì lực thủy triều tại một bán kính không đổi có xu hướng kéo hai tay anh ta lại với nhau khi bán kính hội tụ, làm gia tăng mật độ (giảm thể tích). Tuy nhiên, tại chân trời sự kiện, bán kính đó lại song song với nhau trong giản đồ nhúng (giản đồ để hình dung nghiệm Schwarzschild trong không gian Euclide), không hội tụ, do đó, mật độ vật chất sẽ giảm và làm dừng quá trình suy sập hấp dẫn.

Đi vào một hố đen

Ảnh hưởng của trường hấp dẫn của hố đen có thể xác định từ lý thuyết tương đối. Khi một vật thể tiến lại gần tâm của hố đen không quay (hố đen Schwarzschild) thì người quan sát từ xa sẽ thấy vật thể đó tiến đến chân trời sự kiện một cách chậm dần vì một quang tử từ vật thể đó phải mất một thời gian lâu hơn để thoát ra khỏi ảnh hưởng của hố đen để cho người quan sát biết số phận của vật thể đó.

Đối với bản thân vật thể, nó sẽ đi qua chân trời sự kiện và đến điểm kỳ dị, hoặc vào tâm của hố đen trong một khoảng thời gian hữu hạn. Khi nó đi qua chân trời sự kiện thì ánh sáng không thể thoát khỏi hố đen được nữa nên người quan sát ở ngoài hố đen sẽ không còn có thể biết thông tin của vật thể. Khi vật thể tiến gần hơn nữa đến điểm kỳ dị, nó sẽ bị kéo dài ra và phần vật thể gần hố đen nhất nhất sẽ bị dịch chuyển đỏ cho đến khi tất cả các phần biến mất. Gần điểm kỳ dị, sự sai khác của trường hấp dẫn giữa điểm gần và điểm xa trên vật thể rất lớn, điều này sẽ tạo nên một lực thủy triều làm cho vật thể bị kéo và bị xé ra, điều này được gọi là quá trình "tạo mì ống" (spaghettification).

Hố đen quay

Về lý thuyết, chân trời sự kiện của một hố đen không quay là một hình cầu, và điểm kỳ dị của nó là một điểm. Nếu hố đen có mô men góc (thừa hưởng từ ngôi sao quay trước khi bị suy sập thành hố đen) thì nó sẽ kéo theo cả không-thời gian xung quanh chân trời sự kiện. Vùng không gian xung quanh chân trời sự kiện được gọi là hình cầu cơ công và có dạng một hình e-líp. Vì hình cầu cơ công định vị bên ngoài chân trời sự kiện nên các vật thể có thể tồn tại bên trong hình cầu cơ công mà không bị rơi vào hố đen. Tuy nhiên, vì bản thân không-thời gian chuyển động bên trong hình cầu cơ công nên các vật thể không thể có một vị trí cố định. Các vật thể trượt trên hình cầu cơ công vài lần có thể bị văng ra ngoài với vận tốc rất lớn và giải thoát năng lượng (và mô men góc) khỏi hố đen -- do đó mới có tên "hình cầu cơ công" vì nó có khả năng tạo ra công cơ học.

Entropy và bức xạ Hawking

Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh rằng diện tích của chân trời sự kiện của bất kỳ hố đen cố điển đều không bao giờ giảm. Điều này tương tự như định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong đó vai trò của diện tích của chân trời sự kiện tương ứng với entropy. Người ta có thể vi phạm nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học bằng việc vật chất trong vũ trụ của chúng ta đi vào hố đen và do đó làm giảm entropy của toàn vũ trụ. Chính vì vậy mà Jacob Bekenstein giả thiết rằng hố đen cũng có entropy và entropy của nó tỷ lệ với diện tích của chân trời sự kiện. Tuy nhiên, 1974, Hawking áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không-thời gian cong xung quanh chân trời sự kiện của hố đen và phát hiện ra rằng các hố đen có thể phát xạ nhiệt -- bức xạ mà hố đen phát ra được gọi là bức xạ Hawking. Sử dụng định luật thứ nhất của cơ học hố đen người ta thấy rằng entropy của hố đen bằng một phần tư diện tích của chân trời sự kiện. Đây là một kết quả phổ quát, có thể áp dụng cho chân trời vũ trụ trong không-thời gian de Sitter. Sau đó, người ta còn cho rằng, hố đen là các vật thể có entropy cực đại, tức là, trong vùng không-thời gian nào đó, entropy cực đại chính là entropy của hố đen chiếm vùng không thời gian đó. Điều này dẫn đến nguyên lý ảnh ba chiều (còn gọi là nguyên lý ảnh đa chiều).

Bức xạ Hawking xuất phát từ ngay bên ngoài chân trời sự kiện, và cho tới nay người ta vẫn hiểu là nó không mang thông tin từ bên trong hố đen vì đó là bức xạ nhiệt. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là các hố đen không phải là hoàn toàn đen: hiệu ứng này ngụ ý rằng khối lượng của một hố đen sẽ dần dần giảm theo thời gian. Mặc dù hiệu ứng này rất nhỏ đối với người nghiên cứu hố đen, nó chỉ đáng kể đối với các hố đen siêu nhỏ được tiên đoán lý thuyết, mà ở đó, cơ học lượng tử có tác động chính. Thực ra, các tính toán cho thấy rằng các hố đen nhỏ có thể bị bay hơi và cuối cùng sẽ biến mất trong một đợt vùng phát bức xạ. Do đó, các hố đen mà không có nguồn bổ sung cho khối lượng của chúng đều có một thời gian sống hữu hạn, và thời gian đó liên hệ với khối lượng của chúng.

Vào ngày 21 tháng 7 năm 2004 Stephen Hawking tuyên bố rằng cuối cùng thì các hố đen sẽ giải phóng các thông tin mà chúng nuốt, đảo ngược lại quan điểm mà ông đưa ra trước đó là thông tin sẽ bị biến mất. Ông cho rằng, nhiễu loạn lượng tử của chân trời sự kiện có thể cho phép thông tin thoát ra từ một hố đen và ảnh hưởng đến bức xạ Hawking. Lý thuyết vẫn chưa được các nhà khoa học phản biện, nhưng nếu nó được chấp nhận thì dường như chúng ta đã giải quyết được nghịch lý về thông tin hố đen.
 

Nghiên cứu về hố đen

Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen (ảnh của NASA).
 

Sự hình thành

Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác) không chỉ nói rằng các hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn. Vì khối lượng bên trong vùng đó tăng lên, nên hấp dẫn của nó cũng mạnh lên, hay nói theo ngôn ngữ của thuyết tương đối, không gian xung quanh bị biến dạng. Khi vận tốc thoát tại một khoảng cách nhất định từ tâm đạt đến vận tốc ánh sáng, thì một chân trời sự kiện được hình thành mà trong đó vật chất chắc chắn bị suy sập vào một điểm duy nhất, tạo nên một điểm kỳ dị.

Các phân tích định lượng về điều này dẫn đến việc tiên đoán một ngôi sao có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, tại thời điểm cuối cùng trong quá trình tiến hóa hầu như chắc chắn sẽ co lại tới một kích thước tới hạn cần thiết để xảy ra suy sập hấp dẫn (thông thường các ngôi sao co lại chỉ dừng ở trạng thái sao neutron). Khi điều này xảy ra, không có bất kỳ lực vật lý nào có thể ngăn cản sự suy sập đó, và một hố đen được tạo thành.

Sự suy sập của các ngôi sao sẽ tạo nên các hố đen có khối lượng ít nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen nhỏ hơn giới hạn này chỉ có thể được hình thành nếu vật chất chịu tác động của các áp lực khác ngoài lực hấp dẫn của chính ngôi sao. Áp lực vô cùng lớn cần thiết để có thể gây ra điều này có thể tồn tại vào những giai đoạn rất sớm của vũ trụ, có thể đã tạo nên các hố đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ hơn nhiều lần khối lượng Mặt Trời.

Các hố đen siêu lớn có thể có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành khi có một số lớn các ngôi sao bị nén chặt trong một vùng không gian tương đối nhỏ, hoặc khi có một số lượng lớn các ngôi sao rơi vào một hố đen ban đầu, hoặc khi có sự hợp nhất của các hố đen nhỏ hơn. Người ta tin rằng điều kiện để các hiện tượng trên có thể xảy ra ở một số (nếu không muốn nói là hầu hết) tâm của các thiên hà, bao gồm cả Ngân Hà của chúng ta.
 

Quan sát hố đen

Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen (ảnh của NASA).

Lý thuyết cho thấy rằng chúng ta không thể quan sát hố đen một cách trực tiếp bằng ánh sáng phát xạ hoặc phản xạ vật chất bên trong hố đen. Tuy nhiên, các vật thể này có thể được quan sát một cách gián tiếp các hiện tượng xung quanh chúng như là thấu kính hấp dẫn và các ngôi sao chuyển động xung quanh một vật dường như vô hình.

Hiệu ứng đáng nghi ngờ nhất là vật chất rơi vào hố đen (giống như nước đổ vào đường thoát nước) sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia tốc quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma sát xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng và được thoát ra dưới dạng tia X. Quá trình nung nóng này cũng vô cùng hiệu quả và có thể biến 50% khối lượng của vật thể thành năng lượng bức xạ, trái ngược với phản ứng nhiệt hạch, trong đó, chỉ khoảng vài phần trăm khối lượng được biến thành năng lượng. Các tính toán khác tiên đoán các hiệu ứng trong đó các luồng hạt chuyển động rất nhanh với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng được phóng ra ở hai trục của đĩa.

Tuy nhiên, các đĩa gia tốc, các luồng hạt chuyển động nhanh, các vật thể chuyển động xung quanh một vật vô hình không chỉ có thể do hố đen gây ra mà còn có thể do các vật thể khác như các sao neutron chẳng hạn, và động lực học của các vật thể gần các "hố không đen" này rất giống như động lực học của các vật thể xung quanh hố đen và việc nghiên cứu về chúng là lĩnh vực nghiên cứu rất phức tạp và năng động hiện nay. Nó bao gồm ngành vật lý plasma và từ trường. Do đó, trong phần lớn các quan sát về đĩa gia tốc và chuyển động quỹ đạo chỉ cho biết về khối lượng của vật thể cô đặc mà thôi, chứ không cho biết về bản chất của vật thể đó. Việc xác định vật thể đó là hố đen yêu cầu các giả thuyết bổ sung là không có vật thể nào khác (hoặc các hệ liên kết với vật thể) có thể nặng và cô đặc đến thế. Phần lớn các nhà vật lý thiên văn chấp nhận rằng, trong trường hợp này, theo lý thuyết tương đối rộng, bất kỳ vật nào có mật độ vật chất đủ cao đều phải co lại thành một hố đen.

Một khác biệt quan sát quan trọng giữa các hố đen và các ngôi sao đặc, nặng khác là bất kỳ vật chất rơi vào các vật thể nặng thì cuối cùng cũng phải va chạm với vật thể đó với một vận tốc rất lớn, dẫn đến việc lóe sáng dị thường của các tia X với cường độ rất mạnh cùng với các bức xạ khác. Cho nên, nếu không có các lóe sáng bức xạ như thế xung quanh vật thể cô đặc thì có thể được coi là bằng chứng để cho rằng nó là một hố đen, nơi mà không có bề mặt để vật chất có thể va đập vào đột ngột.
 

Chúng ta đã tìm thấy hố đen chưa?

Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai loại hố đen:

* Các hố đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời, và
* Các hố đen siêu nặng có khối lượng bằng một thiên hà.

Thêm vào đó, có một vài bằng chứng về các hố đen khối lượng trung bình có khối lượng vài ngàn lần khối lượng Mặt Trời. Đây có thể là các hố đen đang hình thành nên các hố đen siêu nặng.

Bằng chứng về các hố đen khối lượng ngôi sao chủ yếu được xác định bằng các đĩa gia tốc với kích thước và vận tốc vừa phải mà không có quá trình lóe sáng dị thường xuất hiện xung quanh các vật thể cô đặc. Các hố đen khối lượng ngôi sao có thể tạo ra các đợt bùng nổ tia gamma mặc dù các đợt bùng nổ này thường liên quan đến vụ nổ của các sao siêu mới hoặc các vật thể khác không phải hố đen.

Bằng chứng về các hố đen có khối lượng lớn hơn lần đầu tiên được cho bởi các thiên hà bức xạ và các quasar do các nhà thiên văn vô tuyến phát hiện ra những năm 1960. Sự chuyển đổi rất hiệu quả từ khối lượng thành năng lượng nhờ ma sát trong đĩa gia tốc của một hố đen dường như là cách giải thích duy nhất cho nguồn năng lượng gần như vô tận của các vật thể này. Thực ra, việc đưa ra lý thuyết trên vào những năm 1970 đã hầu như loại bỏ các chống đối cho rằng các quasar là các thiên hà xa xôi, tức là, không có cơ chế nào có thể tạo một lượng năng lượng nhiều đến thế.

Từ các quan sát vào những năm 1980 về chuyển động của các ngôi sao xung quanh tâm của thiên hà, người ta tin răng có những hố đen siêu nặng có mặt ở tâm của phần lớn các thiên hà, ngay cả Ngân Hà của chúng ta. Tinh vân Sagittarius A được coi là bằng chứng quan tin cậy nhất về sự tồn tại của một hố đen siêu nặng tại tâm của dải Ngân Hà.
Luồng hạt chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 đựoc cho là gây bởi một hố đen siêu nặng tại tâm của thiên hà đó.
Mở lên
Luồng hạt chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 đựoc cho là gây bởi một hố đen siêu nặng tại tâm của thiên hà đó.

Bức tranh hiện nay là tất cả các thiên hà đều có thể có một hố đen siêu nặng ở tại tâm, và hố đen này nuốt khí và bụi ở vùng giữa thiên hà tạo nên lượng bức xạ khổng lồ. Quá trình này tiếp tục cho đến khi không còn vật chất nào ở xung quanh nữa. Bức tranh này giải thích hợp lý về sự vắng mặt của nhiều các quasar gần đó. Mặc dù chưa hiểu về chi tiết, nhưng dường như là sự phát triển của hố đen liên quan mật thiết với các thiên hà có hình dáng tương tự hình cầu chứa nó như thiên hà hình e-líp, đám sao của thiên hà hình xoáy ốc. Điều thú vị là không có bằng chứng nào về sự có mặt của các hố đen nặng ở tâm các đám sao hình cầu, cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa các đám sao hình cầu với các thiên hà.
 

Hố đen siêu nhỏ

Việc hình thành các hố đen siêu nhỏ trên Trái Đất trong các máy gia tốc đã được công bố nhưng chưa được kiểm tra. Cho đến nay, người ta vẫn chưa tìm thấy bằng chứng về hố đen nguyên thủy.
 

Mô tả toán học

Các hố đen được tiên đoán từ lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Đặc biệt là chúng xuất hiện trong nghiệm Schwarzschild, một trong những nghiệm đơn giản và sớm nhất của các phương trình Einstein do Karl Schwarzschild tìm ra vào năm 1915. Nghiệm này mô tả độ cong của không-thời gian trong vùng lân cận một vật thể đối xứng hình cầu trong không gian, nghiệm này là:

trong đó

  là góc khối chuẩn.

Theo nghiệm Schwarzschild, một vật đang bị lực hấp dẫn tác dụng sẽ suy sập vào một hố đen nếu bán kính của nó nhỏ hơn một khoảng cách đặc trưng được gọi là bán kính Schwarzschild. Dưới bán kính này, không-thời gian bị cong đến nỗi bất kỳ ánh sáng được phát ra trong vùng này, bất kể hướng được phát ra, sẽ đi vào tâm của hệ này. Vì lý thuyết tương đối không cho phép bất kỳ vật thể nào chuyển động nhanh hơn ánh sáng, bất kỳ vật gì nằm dưới bán kính Schwarzschild đều bị hút vào tâm tạo nên một kỳ dị hấp dẫn, một vùng có mật độ vô hạn về mặt lý thuyết. Vì ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát được nên hố đen cổ điển là hoàn toàn đen.

Bán kính Schwarzschild được cho bởi công thức sau:

Trong đó G là hằng số hấp dẫn, m là khối lượng của vật thể, và c là vận tốc ánh sáng. Đối với một vật thể có khối lượng bằng Trái Đất, bán kính Schwarzschild của nó bằng 9 mili mét.

Mật độ trung bình bên trong bán kính Schwarzschild giảm khi khối lượng của hố đen tăng, do đó, nếu hố đen có khối lượng Trái Đất có mật độ là 2 × 1030 kg/m3, mật độ của một hố đen siêu nặng có khối lượng bằng 109 khối lượng Mặt Trời có mật độ khoảng 20 kg/m3, nhẹ hơn nước! Mật độ trung bình cho bởi



Vì Trái Đất có bán kính trung bình là 6371 km, thể tích của nó sẽ giảm 4 × 1026 lần để suy sập thành một hố đen. Một vật thể có khối lượng Mặt Trời, bán kính Schwarzschild xấp xỉ 3 km, nhỏ hơn bán kính hiện nay của Mặt Trời khoảng 700.000 km. Nó cũng nhỏ hơn đáng kể bán kính của Mặt Trời sau khi đốt hết nguyên liệu hạt nhân, hay vào khoảng vài ngàn km. Các ngôi sao nặng hơn có thể suy sập thành các hố đen khi kết thúc cuộc đời.

Các hố đen khác cũng có thể rút ra từ nghiệm các phương trình Einstein như là nghiệm Kerr cho các hố đen quay, trong đó có một kỳ dị vòng. Tiếp đến là nghiệm Reissner-Nordstrøm cho các hố đen tích điện. Nghiệm Kerr-Newman cuối cùng thể hiện trường hợp hố đen quay tích điện.

Các khám phá mới

Năm 2004, người ta phát thu được một đám các hố đen, mở rộng tầm hiểu biết của chúng ta về phân bố các hố đen trong vũ trụ. Phát hiện này làm cho các nhà khoa học phải xem xét lại số lượng các hố đen trong vũ trụ. Theo các tính toán, người ta tin rằng số lượng các hố đen nhiều hơn tính toán trước đây đến năm bậc.

Tháng 7 năm 2004, các nhà thiên văn tìm thấy một hố đen khổng lồ Q0906+6930, tại tâm của một thiên hà xa xôi trong chòm sao Đại Hùng (Gấu Lớn, Ursa Major). Kích thước và tuổi của hố đen có thể cho phép xác định tuổi vũ trụ.

Tháng 11 năm 2004, một nhóm các nhà thiên văn công bố khám phá đầu tiên về hố đen khối lượng trung bình trong thiên hà của chúng ta, quay xung quanh Sagittarius A ở khoảng cách 3 năm ánh sáng. Hố đen trung bình này có khối lượng 1.300 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong một đám gồm bảy ngôi sao, có thể là tàn dư của một đám sao lớn bị phần tâm của thiên hà tước đi phần lớn vật chất. Quan sát này có thể củng cố ý tưởng về các hố đen siêu nặng phát triển bằng hấp thụ các hố đen và các ngôi sao nhỏ hơn.

Tháng 5 năm 2005, một ngôi sao kềnh xanh SDSS J090745.0+24507 được tìm thấy đang rời khỏi Ngân Hà với vận tốc gấp đôi vận tốc thoát (0,0022 vận tốc ánh sáng). Người ta có thể lần theo lộ trình của ngôi sao đó ngược trở lại tâm của thiên hà.
 

Mô hình thay thế

Một vài mô hình thay thế tương tự như hố đen nhưng có thể tránh được điểm kỳ dị cũng được đưa ra. Nhưng phần lớn các nhà nghiên cứu nhận xét các khái niệm này chỉ mang tính nhân tạo, vì chúng phức tạp hơn nhưng lại không đưa ra các điểm khác biệt cơ bản với các hố đen. Lý thuyết có triển vọng nhất là lý thuyết Gravastar.

Tháng 3 năm 2005, nhà vật lý George Chapline làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence ở California cho rằng các hố đen không tồn tại, và rằng các vật thể mà mọi người cho là các hố đen thực ra là các ngôi sao năng lượng đen. Ông đưa ra kết luận này từ các nghiên cứu cơ học lượng tử. Mặc dù đề xuất của ông không được đông đảo các nhà vật lý ủng hộ, nhưng vẫn thu hút được nhiều quan tâm của công luận.