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
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.

Hố đen siêu nặng:
Hố đen siêu nặng là hố đen có khối lượng khoảng 105 đến 1,8.1010 khối lượng Mặt TrờiSun symbol.svg. Phần lớn các thiên hà, kể cả Ngân Hà, có chứa trong vùng nhân của mình một hố đen siêu nặng.

So với các hố đen nhỏ, các hố đen siêu nặng có khối lượng riêng nhỏ hơn, thậm chí còn nhỏ hơn khối lượng riêng không khí. Bán kính lỗ đen tỉ lệ thuận với khối lượng của nó. Lỗ đen là thiên thể dạng cầu được giới hạn bởi chân trời sự kiện, thể tích của nó tỉ lệ thuận với bán kính lũy thừa ba. Vì thế, khi khối lượng tăng, khối lượng riêng của hố đen giảm.


Lực thủy triều của hố đen siêu nặng ở vùng cận chân trời sự kiện nhỏ hơn nhiều so với các hố đen nhỏ hơn. Người quan sát trên chân trời sự kiện sẽ đứng xa điểm kỳ dị hơn so với hố đen nhẹ, vì thế lực triều sẽ nhỏ hơn. Lỗ đen siêu nặng có ảnh hưởng đến các vật thể quanh mình do khối lượng lớn của mình.



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 siêu tân tinh 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 rằng 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.

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.

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.