bélyegkép|240px|Egy fekete lyuk körüli forró plazmából álló akkréciós korong művészi ábrázolása. A kép közepén levő sötét gömb a fekete lyuk eseményhorizontja, ekörül kering az akkréciós korong. Az eseményhorizont pólusából kiinduló fényes nyúlványok mágneses erővonalak. (NASA) bélyegkép|240px|Fekete lyuk gravitációs lencsehatása szimulált animáción bélyegkép|240px|Az NGC 7052 elliptikus galaxis középpontjában lévő, 300 millió naptömegű, szupermasszív fekete lyuk és a körülötte lévő akkréciós korong a HST felvételén bélyegkép|jobbra|250px|2019-ben az Eseményhorizont Távcső által készült kép egy fekete lyuk árnyékáról A fekete lyuk a téridő olyan tartománya, ahonnan az erős gravitáció miatt semmi, még a fény sem tud távozni. Félklasszikus szemléltetése szerint olyan égitest, amelynél a felszínre vonatkoztatott szökési sebesség eléri vagy meghaladja a fénysebesség értékét.Összehasonlításképpen: a Földön a szökési sebesség (az úgynevezett második kozmikus sebesség) mindössze 11,19 km/s, és a jóval nagyobb tömegű Nap vonzását is le lehet győzni 617 km/s sebességgel. S mivel a fénynél semmi sem haladhat gyorsabban, a fekete lyuk gravitációs teréből semmi sem távozhat el (ez nem pontosan igaz, l. Hawking elméletét), még a fény sem, innen származik a fekete lyuk elnevezés. Azonban a fekete lyukban – az eseményhorizont mögött – nincs valódi égitest: a fekete lyuknak nincs belső szerkezete, kifelé pedig csak a tömege, töltése és perdülete nyilvánul meg (kopaszsági elv).
Létezésüket az általános relativitáselmélet jósolta meg. Fekete lyuk keletkezik akkor, ha egy véges tömeg a gravitációs összeomlásnak nevezett folyamat során egy kritikus értéknél kisebb térfogatba tömörül össze. Ekkor az anyag összehúzódását okozó gravitációs erő minden más anyagi erőnél nagyobb lesz, s az anyag egyetlen pontba húzódik össze. Ebben a pontban az általános relativitáselmélet szerint bizonyos fizikai mennyiségek (sűrűség, téridőgörbület) végtelenné válnak (lásd: gravitációs szingularitás). A szingularitást körülvevő térrészben a gravitáció olyan erős, hogy onnan sem anyag, sem fény nem szabadulhat ki. A fekete lyuk-tartomány határát két jellegében eltérő módon határozhatjuk meg. A közgondolkodásban elterjedtebb eseményhorizontot a teljes téridő ismeretében a végtelenbe elszökni képes legbelső fénysugarak határozzák meg. A látszólagos horizont meghatározásához ezzel szemben nem szükséges ismernünk a teljes megoldást: a látszólagos horizonton belülről kibocsátott fénysugarak a szingularitás irányába indulnak el. Stacionárius fekete lyukak esetén a két meghatározás azonos eredményre vezet, de például a sugárzást tartalmazó Vaidya-téridőben a két meghatározás két különböző felületet eredményez. A fekete lyukon belülre kerülő anyag vagy sugárzás elkerülhetetlenül belezuhan a szingularitásba.
A fekete lyukak létezése mind elméletileg, mind csillagászati megfigyelésekkel jól alátámasztott (például Chandra űrtávcső). Az Eseményhorizont Teleszkóp megfigyelései alapján 2019. április 10-én bemutatták az első képet egy fekete lyukról, melynek előállításához az algoritmust Katie Bouman írta, amely alapján elkészítették a mintegy sorból álló program kódolását. April 10, 2019 A lyuk elnevezés alatt nem a szokásos értelemben vett lyukat kell érteni, inkább a világűr egy részét, ami mindent elnyel, és ahonnan semmi nem tud visszatérni.
Másképpen, a fekete lyuk olyan égitest, mely nagy tömege ellenére elég kicsi, hogy elférjen az általa létrehozott eseményhorizonton belül. Ebben az esetben ugyanis az égitest minden pontja az eseményhorizonton belül van, tehát az eseményhorizonton kívülről nem látható. Meg kell jegyeznünk azonban, hogy a fekete lyuk mérete nem egy jól meghatározott mennyiség. Ezt illusztrálja a következő népszerű észrevétel. A gömbszimmetrikus fekete lyuk eseményhorizontjának sugara egyenesen arányos a fekete lyuk tömegével. A klasszikus sűrűség fogalmunk ugyanakkor arányos a tömeggel és fordítottan arányos a térfogattal. Mivel a fekete lyuk térfogata az eseményhorizont sugarának köbével arányos, a sűrűség fordítottan arányos a tömeg négyzetével, vagyis minél nagyobb tömegű egy fekete lyuk, annál kisebb a sűrűsége. A galaxisok közepén található fekete lyukak sűrűsége összemérhető a víz sűrűségével.
Története John Michell (1724–1793) Newton gravitációs elméletét alkalmazva rámutatott 1783-ban,Stephen Hawking: Einstein álma, Vince Kiadó, Budapest, 1999 hogy egy elegendően nagy tömegű és kis méretű csillagnak olyan erős lenne a gravitációs tere, hogy a felszínéről semmi sem tudna elszakadni. A fény korpuszkuláris elméletét és Newton gravitációs elméletét felhasználva kiszámította, hogy a Nap sűrűségét feltételezve ennek a csillagnak a sugara 486-szorosa lenne a Napénak, a tömege pedig annak 120 milliószorosa. Ez volt az első említése egy olyan típusú csillagnak, aminek jóval később a „fekete lyuk” nevet adták.Matts Roos: An introduction to cosmology, Wiley, 2003, 3rd ed., p5.,
1796-ban Laplace tőle függetlenül ugyanerre jött rá.
Karl Schwarzschild német csillagász 1916-ban, miközben a német hadseregben az első világháborúban az orosz fronton harcolt, levezette az Einstein féle általános relativitáselmélet egy megoldását (lásd. Schwarzschild-metrika). Schwarzschild már 1900-ban (amikor 27 éves volt) benyújtott a német csillagászati társaság felé egy tanulmányt, amiben azt fejtegette, hogy a tér nem közönséges háromdimenziós dobozként viselkedik, hanem a gravitáció által furcsa módon „görbül”. Einstein hasonló megfogalmazást használt 1905-ben. Schwarzschild azt állapította meg tisztán matematikai úton, hogy ha egy csillag a saját gravitációja által egyre összébb húzódik, akkor a szökési sebesség egyre nagyobb lesz, míg eléri a fény sebességét, vagyis az ilyen objektum közeléből a fény sem tud távozni. Az „eseményhorizont” fogalmát is Schwarzschild írta le, 1916-ban. Ő maga nem hitt abban, hogy mindez fizikailag is létezhet.
A gömbszimmetrikus Schwarzschild-megoldás asztrofizikailag relevánsabb, forgásszimmetrikus általánosítását 1963-ban fedezte fel Roy P. Kerr.
Ötven évvel később a csillagászok kezdték komolyabban venni Schwarzschild elképzelését a „láthatatlan csillag”-ról.
A fekete lyuk („black hole”) kifejezést John Archibald Wheeler tette ismertté egy 1967-es New York-i konferencián, bár ő maga mindig hangsúlyozta, hogy azt valaki más javasolta neki.
1971-ben Wheeler csoportjának számításai azt valószínűsítették, hogy a Cygnus X-1 röntgencsillag egy fekete lyuk körül kering.Kendall Haven: 100 Greatest Science Discoveries of All Time (Unlimited Libraries, 2007) (valójában maga a Cygnus X-1 egy fekete lyuk).
A LIGO-Virgo együttműködés LIGO detektorai 2015. szeptember 14-én először észlelték két fekete lyuk összeolvadásából származó gravitációs hullámot.
2019. április 10-én az Európai Déli Obszervatórium szakemberei által rendezett konferencián bemutatták a legelső fényképet, amely egy fekete lyukról készült. A képet az Eseményhorizont Távcső (Event Horizon Telescope, EHT) hálózat segítségével készítették és a Messier 87-es óriásgalaxis közepén található szupermasszív fekete lyukat ábrázolja.Itt a világ legelső fotója egy fekete lyukról, hvg.hu, 2019. április 10.
A fekete lyukak fizikai tulajdonságai
bélyegkép|240px|A fekete lyuk körül akkréciós korongot képez a körülötte keringő fősorozati csillagból belé áramló anyag (az akkréciós korong nem ér el az eseményhorizontig, a legbelső stabil körpálya (ISCO) elérése után belezuhan a lyukba). Az akkréciós korongra merőlegesen, annak két oldalán poláris jetek alakulnak ki
Jelenlegi ismereteink szerint a gravitációs összeomlás során keletkezett fekete lyukak gravitációs sugárzás formájában megszabadulnak a keletkezésük során elnyelt anyag szerkezetét őrző információtól és kellő idő elteltével a három paraméterrel jellemezhető Kerr–Newman-megoldással jellemezhetőek. Ez a három paraméter: a fekete lyuk tömege, forgási sebessége és (elméletileg előrejelzett, a természetben elő nem forduló) elektromos töltése.
A fekete lyukak tömege Egyes, kísérletileg még nem bizonyított elméletek szerint bizonyos magfizikai folyamatok során mikroszkopikus fekete lyukak keletkezhetnek.
Nagy tömegű csillagok egyik lehetséges végállapotaként, szupernóva-robbanás után a csillagmaradvány tömegétől függően vagy fekete lyuk, vagy neutroncsillag keletkezhet. A fekete lyuk keletkezéséhez elég nagy tömegű csillag szükséges, hogy még a belőle keletkezett neutroncsillag is összeroppanjon. Ez a tömeg jelenlegi ismereteink szerint valahol 1,7-2,7 naptömeg között van, a legkisebb ismert tömegű fekete lyuk 3,8 (±0,5) naptömegű.A jelenleg ismert legkisebb fekete lyuk – Hírek.csillagászat.hu ; Kovács József, 2008. április 3. Ha viszont a csillag tömege túl nagy (20-40 naptömeg feletti), akkor még a szupernóva-robbanás előtt a csillagszéllel annyi anyagot veszít, hogy a maradék tömege nem elég a fekete lyuk létrejöttéhez, így nagyon gyorsan forgó és nagyon erős mágneses térrel rendelkező neutroncsillagok, magnetárok jönnek létre.
Több kisebb fekete lyuk ütközésével jöhetnek létre a sokáig keresett köztes tömegű fekete lyukak, ezek tömege néhány száz-néhány ezer naptömeg. Egyelőre nagyon kevés ilyen fekete lyukat ismerünk, az NGC 4472 galaxis egyik gömbhalmazában (valószínűleg a közepén) van ilyen fekete lyuk."Középsúlyú" fekete lyukak Szerző: Molnár Péter Az NGC 5408 galaxisban lévő egyik ultrafényes röntgenforrás (ULX, Ultra Luminous X-ray source) tömegét egy új módszerrel megmérve 2000 naptömegnyinek adódott,Közepes tömegű fekete lyukat találtak egy galaxisban Szerző: Kovács József, hírek.csillagászat.hu így ez is ebbe a ritka csoportjába tartozik a fekete lyukaknak. Az ultrafényes röntgenforrásokat általában a kutatók a köztes tömegű fekete lyukakkal hozzák összefüggésbe.
Egyes galaxisok középpontja (a miénk is) tartalmaz nagyon nagy tömegű (több millió naptömegű) szupermasszív fekete lyukat.
A fekete lyukak tömegének mérése
A fekete lyukak tömegét optikai mérésekkel akkor tudjuk pontosan meghatározni, ha a körülötte keringő csillagközi anyagfelhők, csillaghalmazok vagy csillagok mozgása, azaz pályamérete és sebessége is megmérhető.
A fekete lyukak összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámokra illesztett sablonok képesek meghatározni a kezdeti két fekete lyuk és a végállapoti fekete lyuk tömegét is.
A fekete lyukak forgása A fekete lyukak forgási sebességéről nagyon keveset tudunk, egyelőre csak néhány égitestről rendelkezünk adatokkal. A forgás sebességét a*-gal jelöljük, ennek értéke 0, ha a fekete lyuk nem forog, 1 pedig akkor, ha az égitest az általános relativitáselmélet által megengedett legnagyobb sebességgel forog. Az eddig megmért forgási sebességű fekete lyukak esetében a* mindig 0,95 fölötti értéknek adódott, például a GRS 1915+105 jelű objektumnál a* 0,98, ez másodpercenként több mint 950 fordulatot jelent.Bepörgött fekete lyuk – Hírek.csillagászat.hu ; Szerző: Molnár Péter
A fekete lyukak forgási sebességének mérése A megfigyelhető fekete lyukakba az akkréciós korongon keresztül folyamatosan anyag áramlik (ennek sugárzása árulja el számunkra a fekete lyuk létét). Az izzó gáz egyre közelebb kerül az égitesthez, majd belezuhan. A zuhanás előtti, legbelső stabil körpálya (ISCO, Innermost Stable Circular Orbit), melyen az anyag keringhet, összefüggésben van a lyuk forgási sebességével, mert a fekete lyuk forgása közben magával rántja a téridő-kontinuum egy darabját is (ez az egyetlen olyan fizikai hatás a külvilágra, mely a forgással van kapcsolatban). A legbelső stabil körpálya sugarának méréséből következtethetünk a fekete lyuk forgási sebességére, minél gyorsabban forog a lyuk, annál kisebb ez a sugár (lyukkal forgó téridő mintegy magával rántja a befelé áramló anyagot, emiatt az gyorsabban keringve a fekete lyukhoz sokkal közelebb juthat anélkül, hogy belezuhanna).