Процессы и происхождение формирования черных дыр, включая провалы масс и стили эволюции.Черные дыры образуются, когда материя сжимается до сверхкритической плотности, создавая гравитационное притяжение настолько сильное, что ничто, даже свет, не может покинуть их. Наиболее распространенный путь — коллапс ядра массивной звезды в конце ее жизни: когда термоядерный синтез прекращается, ядро звезды больше не может поддерживать собственный вес и схлопывается, образуя черную дыру звездной массы. Однако процесс не является однородным — существуют «провалы масс», где черные дыры определенных масс наблюдаются редко, что указывает на то, что в разных диапазонах масс действуют разные механизмы формирования.
Концепция тела, из которого свет не может вырваться, восходит к Джону Мичеллу в 1783 году и Пьеру-Симону Лапласу в 1796 году, но современная теория возникла из решения Карла Шварцшильда уравнений поля Эйнштейна в 1916 году. Конкретный механизм формирования через звездный коллапс был прояснен Дж. Робертом Оппенгеймером и Хартландом Снайдером в 1939 году.
Коллапс ядра начинается, когда звезда с массой более примерно 8 солнечных масс исчерпывает свое ядерное топливо. Ядро, теперь состоящее из железа, не может дальше сливаться и коллапсирует под действием гравитации за миллисекунды. Если масса ядра превышает предел Толмена–Оппенгеймера–Волкова (около 2–3 солнечных масс), никакая известная сила не может остановить коллапс, и образуется черная дыра. Для более тяжелых звезд часть материала выбрасывается при взрыве сверхновой, но остается черная дыра-остаток. Альтернативные пути включают прямой коллапс очень массивных звезд в ранней Вселенной, который может обойти фазу сверхновой, и слияние двух нейтронных звезд, которое может привести к образованию черной дыры, если суммарная масса превышает предел.
Понимание механизмов формирования помогает астрофизикам интерпретировать сигналы гравитационных волн от LIGO и Virgo, раскрывая массы и спины сливающихся черных дыр и проверяя предсказания о провалах масс.
Первое прямое обнаружение гравитационных волн в 2015 году произошло от слияния двух черных дыр, каждая массой около 30 солнечных масс — диапазон масс, который ранее был неожиданным и указывал на пути формирования, отличные от обычной звездной эволюции.
| M_{\rm PBH} | переменная | масса первичной чёрной дыры — масса кг |
| M_{\rm eq} | переменная | масса горизонта на момент равенства материи и излучения — масса кг |
| T_{\rm eq} | переменная | температура на момент равенства материи и излучения — температура К |
| T_\star | переменная | температура на момент образования — температура К |
| δM | переменная | Бесконечно малое изменение массы чёрной дыры — масса кг |
| κ | переменная | Поверхностная гравитация чёрной дыры — поверхностная гравитация м/с² |
| δA | переменная | Бесконечно малое изменение площади горизонта — площадь м² |
| Ω_H | переменная | Угловая скорость горизонта — угловая скорость рад/с |
| δJ | переменная | Бесконечно малое изменение момента импульса — угловой момент кг²·м/с |
| δ | оператор | Бесконечно малое изменение величины — variation |
