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블랙홀(Black hole)이란 강한 중력으로 인해 사건의 지평선 안쪽에서 빛을 포함한 어떤 물질이나 신호도 바깥으로 빠져나올 수 없는 시공간의 영역을 말한다. 별질량 블랙홀은 거대한 별이 수명을 다해 핵융합을 멈추었을 때, 중심핵이 자체 중력을 견디지 못하고 급격한 중력붕괴를 일으키며 형성된다. 이때 중심핵 잔해의 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프(TOV) 한계인 태양의 약 3배를 초과하면 중성자 퇴축압으로도 붕괴를 막을 수 없게 되며, 초신성 폭발을 거치거나 전체가 직접 붕괴하여 블랙홀이 된다. 즉, 중심 잔해 질량이 이 임계점 미만이면 중성자별이 되고, 이를 넘어서야만 블랙홀로 진화한다.
1916년 독일의 물리학자이자 천문학자인 카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)는 아인슈타인의 일반상대론 방정식을 풀어, 구형이며 회전하지 않고 전하를 띠지 않는 천체 주위의 시공간을 설명하는 해를 제시하였다. 이 해에서 질량이 M인 블랙홀의 사건의 지평선에 해당하는 슈바르츠실트 반지름 R_s는 다음과 같다.
여기서 G는 중력상수, c는 진공에서의 빛의 속도이다. 슈바르츠실트 반지름은 블랙홀의 질량에 비례하며, 태양 질량에 해당하는 슈바르츠실트 반지름은 약 3km이다. 이는 태양과 같은 질량의 물질을 반지름 약 3km 이내에 압축하면 블랙홀이 될 수 있다는 뜻이다. 다만 태양은 질량이 충분히 크지 않기 때문에 위에서 설명한 방식으로는 블랙홀에 되기에 필요한 중력붕괴를 일으키지는 못한다. 그렇지만, 블랙홀이 별의 진화 과정을 통해서만 만들어지는 것은 아니며, 우주초기에 초고밀도 요동에서는 다양한 블랙홀이 만들어졌을 가능성도 있다.
# 블랙홀 존재 입증 관련해서는 노벨상을 받은 두 가지(중력파, 우리은하 중심 주변 별운동 관측)와 브레이크스루 상을 받은 한 가지(사건지평선 관측)을 사례로 새로 작성했습니다.
블랙홀은 빛을조차 빠져나올 수 없어 직접 볼 수 없지만, 주변 시공간과 물질에 미치는 영향을 통해 그 존재를 확실히 입증할 수 있다. 대표적인 증거로는 두 블랙홀이 병합할 때 시공간의 흔들림이 파동으로 전파되는 중력파가 관측되면서, 별 질량 블랙홀의 실체가 증명되었다 (2017년 노벨 물리학상). 또한 우리은하 중심(Sgr A*)을 매우 빠른 속도로 공전하는 별들의 궤도 운동으로, 보이지 않는 좁은 공간에 태양 질량의 400만 배에 달하는 거대한 질량이 집중되어 있음을 보여준다 (2020년 노벨 물리학상). 이에 더해 사건의 지평선 망원경(EHT)은 태양 질량 65억배의 초대질량블랙홀이 시공간을 구부려 만들어낸 '블랙홀 그림자' 영상을 촬영하는 데 성공했다 (2020년 브레이크스루 기초물리학상)