Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, dessen Masse die Raumzeit so stark krümmt, dass Materie, Licht und damit auch jegliche Information auf einen bestimmten Bereich der Raumzeit beschränkt bleibt und diesen nicht mehr unmittelbar verlassen kann. Die Grenze dieses Bereiches wird Ereignishorizont genannt. Die Bezeichnung Schwarzes Loch wurde im Jahr 1967 durch John Archibald Wheeler etabliert. Zu jener Zeit galt die Existenz der erst theoretisch beschriebenen Schwarzen Löcher zwar als sehr wahrscheinlich, war aber noch nicht durch Beobachtungen bestätigt. Später wurden zahlreiche Beispiele für Auswirkungen Schwarzer Löcher beobachtet, z. B. ab 1992 die Untersuchungen des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße im Infrarotbereich. 2016 wurde die Fusion zweier Schwarzer Löcher über die dabei erzeugten Gravitationswellen durch LIGO beobachtet und 2019 gelang eine radioteleskopische Aufnahme eines Bildes des supermassereichen Schwarzen Lochs M87* im Zentrum der Galaxie M87 mit dem Event Horizon Telescope. 2022 gelang die Abbildung des Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße ebenfalls mit dem Event Horizon Telescope. In der Ansicht eines Schwarzen Lochs kann also von einem weit entfernten Beobachter im Zentrum ein dunkler bis schwarzer Bereich nachgewiesen werden. Dieser Bereich wird Schatten des Schwarzen Lochs genannt und sollte nicht mit der mathematischen Fläche des Ereignishorizontes verwechselt werden. Die genaue Form des Schattens hängt aufgrund der Verzerrung der Lichtstrahlen im Bereich außerhalb des Ereignishorizontes auch leicht vom Ort des entfernten Beobachters ab. Die gekrümmte Raumzeit um den Ereignishorizont wirkt also als Gravitationslinse.
Es gibt unterschiedliche Klassen von Schwarzen Löchern mit ihren jeweiligen Entstehungsmechanismen. Stellare Schwarze Löcher entstehen, wenn in einem gealterten massereichen Stern der Strahlungsdruck von innen dem Gasdruck der äußeren Schichten nicht mehr standhalten kann und der Stern kollabiert. Supermassereiche Schwarze Löcher von millionen- bis milliardenfacher Sonnenmasse dagegen stehen im Zentrum von Galaxien und spielen eine wichtige Rolle in deren Entwicklung. Die Anzahl stellarer Schwarzer Löcher im beobachtbaren Universum wird auf 40 Trillionen geschätzt, wobei sie rund ein Prozent der gewöhnlichen Materie umfassen.
Eine direkte visuelle Beobachtung weit entfernter Schwarzer Löcher, so wie in den ersten Bildern, wird in der Praxis häufig durch interstellare Materie erschwert. Außerhalb des Ereignishorizonts kann sich ein inaktives Schwarzes Loch wie ein normaler Massekörper verhalten und von anderen Himmelskörpern auf stabilen Bahnen umrundet werden. Je nach physikalischer Beschaffenheit des Schwarzen Lochs, die mit der Masse, der elektrischen Ladung und dem Drehimpuls zusammenhängt, ergeben sich verschiedene Details in der Struktur der Raumzeit eines Schwarzen Lochs. Die Struktur der Raumzeit eines Schwarzen Lochs wird durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben.
18. Jahrhundert: Newtonsche Physik
In den 1680er Jahren hatte Isaac Newton erstmals eine mathematische Beschreibung der Gravitation entwickelt. Demnach üben Körper eine Kraft aufeinander aus, die proportional zu deren Masse ist. Ein kleines Objekt im Abstand
vom Mittelpunkt eines kugelförmigen großen Objekts der Masse
{\textstyle v_{2}={\sqrt {2GM/r}}}
, um dessen Schwerkraft zu entfliehen (Fluchtgeschwindigkeit;
ist die Gravitationskonstante). Umgekehrt erreicht ein Objekt, das „aus dem Unendlichen“ auf den Körper fällt, im Abstand
Newton hatte auch die Korpuskeltheorie entwickelt, nach der das Licht aus kleinen Teilchen besteht. Darauf basierend spekulierte 1783 der britische Naturforscher John Michell über Dunkle Sterne, deren Gravitation ausreiche, um Licht gefangen zu halten. In einem Brief, der von der Royal Society publiziert wurde, schrieb er:
Unabhängig von Michell beschrieb auch Pierre Simon Laplace diese Idee 1796 in seiner Exposition du Système du Monde. Er schuf dafür den Begriff „Dunkler Körper“ (corps obscur oder astre obscur).
Wenn man in die Gleichung der Fluchtgeschwindigkeit für
die Lichtgeschwindigkeit einsetzt, erhält man tatsächlich den korrekten Wert des Schwarzschild-Radius. Dies ist aber als Zufall zu werten, denn das Modell beschreibt keineswegs die physikalische Realität: Ein Objekt, das von der Erde aus mit weniger als
ins All geschossen wird, entfernt sich von ihr, wird dabei immer langsamer und fällt auf die Erde zurück. Vom Rand und aus dem Inneren eines Schwarzen Lochs hingegen kann nichts „in die Höhe steigen“, auch keine noch so kurze Strecke weit. Für Licht gilt das Newtonsche Gravitationsgesetz ohnehin nicht: beim Entweichen von einer großen Masse verliert ein Photon Energie, behält aber seine Geschwindigkeit. Am Schwarzschild-Radius hat es von außen gesehen keine Energie
. Aus großer Entfernung betrachtet, steht dort die Zeit still.
Auch heute findet man in populären Darstellungen oft Sätze wie „Bei einem Schwarzen Loch ist die Schwerkraft so groß, dass nicht einmal Licht entweichen kann.“ Solche Sätze haben den Vorteil der Anschaulichkeit. Sie legen aber eine Erklärung nach der newtonschen Physik nahe und können leicht in die Irre führen.
Erste Hälfte des 20. Jahrhunderts: Beitrag der allgemeinen Relativitätstheorie
Nachdem Albert Einstein 1915 die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie aufgestellt hatte, gab der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 erstmals eine Metrik an, die Schwarzschild-Metrik, die dem Gravitationsfeld einer punktförmigen Masse entspricht. Die Schwarzschild-Lösung beschreibt Größe und Verhalten eines nichtrotierenden und nicht elektrisch geladenen statischen Schwarzen Lochs mit dem sogenannten Ereignishorizont bei