Вероятно, во Вселенной встречаются ещё более загадочные объекты, чем нейтронные звёзды. Что произойдёт, если масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса? Ещё в XVIII в. учёные высказывали предположения о возможности существования во Вселенной тел с огромной силой тяготения, которые притягивают даже испущенный ими самими свет. После создания Эйнштейном общей теории относительности было построено подробное описание таких объектов, названных черными Дырами.
Чёрные дыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд массой более трёх масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется всё сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть её притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звёзд он составляет несколько десятков километров.
Наблюдения показывают, что очень многие звёзды являются двойными, а часть из них входит и в более обширные звёздные группы. Узнать о том, что две звезды составляют пару, можно, изучив их совместное движение. Но бывает и так, что наблюдать удаётся излучение лишь одного компонента звёздной пары. Конечно, при этом нельзя исключать, что второй компонент является либо маломассивной тусклой звездой, либо белым карликом. Однако в некоторых парах масса невидимого компонента слишком велика для подобных объектов. В таком случае можно предположить, что он представляет собой нейтронную звезду или чёрную дыру, но и тогда останется большая доля неопределённости.
Более уверенные выводы можно сделать, изучая свойства тесных двойных систем, в которых расстояния между компонентами настолько малы, что они почти соприкасаются, а иногда и действительно соприкасаются. Что если одной из звёзд-соседок будет компактная массивная «мёртвая» звезда? Её гравитационное поле может оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной звезды. В этом случае газ начнёт отделяться от внешних сдоев видимой звезды и падать на невидимый спутник. Но сам этот газ будет доступен наблюдениям. Более того, вблизи нейтронной звезды или чёрной дыры газ сильно разогреется и станет источником высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазоне. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с космических телескопов. После запуска внеатмосферных приёмников рентгеновского и гамма-излучения подобные источники были открыты в тесных двойных системах.
В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, следовательно, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронной звезды. Предполагается, что в этом случае гравитационное поле создаёт черная дыра. Одним из вероятных кандидатов, в чёрные дыры считается ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя — Лебедь Х-1.
Отличить чёрную дыру от нейтронной звезды (если излучение последней не наблюдается) очень трудно. Поэтому о существовании чёрных дыр часто говорят предположительно. Тем не менее открытие массивных несветящихся тел (с массами в несколько масс Солнца) – серьёзный аргумент в пользу их существования.
Термин «чёрная дыра» был весьма удачно введён в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. Как известно, для того чтобы преодолеть силу притяжения небесного тела с массой М и радиусом R, частица на поверхности должна приобрести вторую космическую скорость , где G — постоянная тяготения Ньютона. Если при постоянной массе радиус уменьшается, то эта скорость возрастает и может достичь скорости света (с) – предельной скорости для любых физических объектов, когда радиус тела становится равным 2GM/с2. Это так называемый гравитационный радиус — Rg. Поскольку информация может передаваться не более чем со скоростью света, коллапсирующее тело, как говорят, уходит за горизонт событий для далёкого наблюдателя.
На достаточно больших расстояниях чёрная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у чёрных дыр быть не может. Удивительно, но самые «экзотические» с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты — чёрные дыры — устроены гораздо проще, чем обычные звёзды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества — они описываются только уравнениями гравитации Эйнштейна. Кроме массы чёрная дыра может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом.
Но если чёрные дыры не светят, то как же можно судить о реальности этих объектов во Вселенной? Единственный путь — наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.
Имеются косвенные доказательства существования чёрных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звёздах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твёрдой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера (например, периодических импульсов в излучении), и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трёх масс Солнца). Последние достижения рентгеновской астрономии позволяют исследовать рентгеновское излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности. В оптической астрономии появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Всё это даёт надежду, что в начале XXI в. будет получено прямое доказательство существования в Галактике чёрных дыр звёздной массы. А возможно, обнаружение чёрных дыр будет связано с совершенно новым направлением звёздной науки — гравитационно-волновой астрономией. Уже разрабатываются гравитационно-волновые детекторы, которые позволят регистрировать необычайно слабые гравитационные волны от систем, содержащих чёрные дыры. Скорее всего, первые обнаруженные таким методом объекты окажутся двойными чёрными дырами, сливающимися друг с другом из-за потерь энергии орбитального движения на гравитационное излучение.