Простейший тип черной дыры, в которой ядро не вращается и просто имеет сингулярность и горизонт событий, известен как черная дыра Шварцшильда в честь немецкого физика Карла Шварцшильда, который в 1910-х годах вместе с Альбертом Эйнштейном разработал большую часть самой ранней теории черных дыр. В 1958 году Дэвид Финкельштейн опубликовал статью, основанную на работах Эйнштейна и Шварцшильда, описывающую идею “односторонней мембраны”, которая вызвала новый интерес к теории черных дыр (хотя сама фраза не была придумана до лекции Джона Уилера в 1967 году).
В 1963 году новозеландец Рой Керр обнаружил решение уравнений поля общей теории относительности Эйнштейна, которое описывало вращающийся объект, и предположил, что все, что коллапсирует, в конечном итоге оседает во вращающуюся черную дыру. Он вращается, потому что вращалась звезда, из которой он образовался, и теперь считается, что на самом деле это, вероятно, самая распространенная форма в природе. Вращающаяся черная дыра выпирала бы наружу вблизи своего экватора из-за своего вращения (чем быстрее вращение, тем больше выпуклость).
В середине 1960-х годов молодой английский математик Роджер Пенроуз посвятил себя изучению черных дыр, а в 1965 году он доказал важную теорему, которая показала, что гравитационный коллапс большой умирающей звезды должен привести к сингулярности, где пространство-время не может быть продолжено и классическая общая теория относительности разрушается. Пенроуз и Уилер далее доказали, что любая невращающаяся звезда, какой бы сложной ни была ее первоначальная форма и внутренняя структура, после гравитационного коллапса превратится в идеально сферическую черную дыру, размер которой будет зависеть исключительно от ее массы.
В конце 1960-х Пенроуз сотрудничал со своим кембриджским другом и коллегой Стивеном Хокингом в дальнейших исследованиях на эту тему. Они применили новую сложную математическую модель, основанную на общей теории относительности Эйнштейна, которая привела в 1970 году к доказательству Хокингом первой из нескольких теорем о сингулярности. Такие теоремы обеспечили набор достаточных условий для существования гравитационной сингулярности в пространстве-времени и показали, что сингулярности, далекие от того, чтобы быть математическими курьезами, которые появляются только в особых случаях, на самом деле являются довольно общей чертой общей теории относительности.
Хотя это может показаться очень сложным, своеобразным и, возможно, нелогичным объектом, черную дыру, по сути, можно описать всего тремя величинами: сколько массы вошло в нее, с какой скоростью она вращается (ее угловой момент) и ее электрический заряд. Это стало известно как “Теорема об отсутствии волос” после комментария Джона Уилера о том, что “у черных дыр нет волос”, под которым он подразумевал, что любая другая информация о веществе, образовавшем черную дыру (для которой "волосы" - метафора), остается постоянно недоступной для внешних наблюдателей внутри его горизонт событий и практически не имеет отношения к делу.
Брэндон Картер и Стивен Хокинг математически доказали теорему отсутствия волос в начале 1970-х годов, показав, что размер и форма вращающейся черной дыры будут зависеть только от ее массы и скорости вращения, а не от природы тела, которое коллапсировало, образуя ее. Они также предложили четыре закона механики черных дыр, аналогичные законам термодинамики, связывая массу с энергией, площадь с энтропией и поверхностную гравитацию с температурой.
В 1974 году Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры на самом деле должны термически создавать и испускать субатомные частицы, известные сегодня как излучение Хокинга, пока они не исчерпают свою энергию и полностью не испарятся. Согласно этой теории, черные дыры не являются полностью черными, и они также не существуют вечно.
Хокинг показал, как сильное гравитационное поле вокруг черной дыры может влиять на образование совпадающих пар частиц и античастиц, как это постоянно происходит в кажущемся пустым пространстве согласно квантовой теории. Если частицы создаются непосредственно за горизонтом событий черной дыры, то возможно, что положительный член пары (скажем, электрон) может вырваться - наблюдаемый как тепловое излучение, исходящее из черной дыры, - в то время как отрицательная частица (скажем, позитрон, с его отрицательной энергией и отрицательная масса) может упасть обратно в черную дыру, и таким образом черная дыра постепенно потеряет массу. Возможно, это был один из первых примеров теории, которая синтезировала, по крайней мере в некоторой степени, квантовую механику и общую теорию относительности.
Следствием этого, однако, является так называемый “информационный парадокс” или “Парадокс Хокинга”, при котором физическая информация (что примерно означает различную идентичность и свойства частиц, попадающих в черную дыру), по-видимому, полностью теряется для Вселенной, что противоречит общепринятым законам физики (иногда упоминается как "закон сохранения информации"). Хокинг энергично защищал этот парадокс от аргументов Леонарда Сасскинда и других почти тридцать лет, пока он, как известно, не отказался от своих претензий в 2004 году, фактически признав поражение Сасскинда в том, что стало известно как "война черных дыр". Последняя линия рассуждений Хокинга заключается в том, что информация на самом деле сохраняется, хотя, возможно, не в нашей наблюдаемой вселенной, а в других параллельных вселенных мультивселенной в целом.
К сожалению, предложенное Сасскиндом решение еще более сложное, и его почти невозможно представить или объяснить понятным способом. Он предполагает, что, когда объект падает в черную дыру, копия информации, из которой он состоит, как бы скремблируется и размазывается в двух измерениях по краю черной дыры. Более того, Сасскинд считает, что аналогичный процесс происходит во Вселенной в целом, что порождает довольно тревожную идею о том, что то, что мы считаем трехмерной реальностью, на самом деле является чем-то вроде голографического представления "реальной" реальности, которая на самом деле содержится в двух измерениях по краю вселенной.
Также теоретически возможно, что "первичные" или "мини" черные дыры могли быть созданы в условиях в первые моменты после Большого взрыва, возможно, в огромных количествах. Однако таких мини-черных дыр никогда не наблюдалось - действительно, их было бы чрезвычайно трудно обнаружить - и они остаются в значительной степени спекулятивными. В любом случае вполне вероятно, что все из них, кроме самых крупных, к настоящему времени уже испарились бы, поскольку они выделяют излучение Хокинга. Согласно теории Хокинга, количество потерянной массы больше для маленьких черных дыр, и поэтому черные дыры квантового размера испарялись бы за очень короткие промежутки времени. Но есть надежда, что такие мини-черные дыры могут быть экспериментально воссозданы в экстремальных условиях Большого адронного коллайдера в ЦЕРНЕ, что, среди прочего, придало бы столь необходимую достоверность некоторым современным теоретическим предсказаниям теории суперструн относительно гравитации.
