Nacidos de la teoría de la relatividad general de Einstein, los agujeros negros empujan los límites de nuestros conocimientos sobre el espacio y el tiempo.

La relatividad general describe a la gravedad como una curvatura en el espacio-tiempo, producida por la presencia de materia. La curvatura afecta al movimiento de materia a través del espacio, que nosotros percivimos como gravedad.

Poco después de que Einstein publicara su teoría de la relatividad general en 1915, Karl Schwarzschild encontró una solución matemática a sus ecuaciones que correspondía a un objeto que tenía masa finita, pero había colapsado a un tamaño infinitesimal. A medida que uno se acercara a dicho objeto, el empuje de la gravedad sería extremo, y la par que ocurrirían varios fenómenos extraños.

Si el Sol se comprimiera a un radio de dos millas (3 kilómetros), su velocidad de escape sería igual a la velocidad de la luz. Nada puede viajar más rápido que la luz, por lo que nada, ni materia ni radiación escaparía de su superficie. La relatividad, además, predice que en esta situación la masa del Sol no podría resistir el empuje de la gravedad. Colapsaría en menos de un segundo a un punto central de densidad infinita. Las leyes conocidas de la física deben fallar al acercarse a una densidad infinita, pero ésto estaría oculto al mundo exterior. La gravedad de la masa colapsada permanece, y la velocidad de escape aun alcanza la velocidad de la luz a unas dos millas del centro. Esta distancia, llamada radio de Schwarzschild u "horizonte", es proporcional a la masa del objeto. Puesto que la luz no puede escapar, al objeto se le llama agujero negro.

¿Qué experimentaríamos nosotros si nos acercáramos a un agujero negro? Si intentáramos asomarnos desde justo el horizonte, seríamos arrastrados con la fuerza de un cohete mítico sufriendo una aceleración igual a un billón de veces la gravedad en la superficie terrestre. Podríamos intentar evitar estas fuerzas dejándonos caer en órbita alrededor del agujero negro, más allá del horizonte. Incluso de esta manera, seríamos destruidos por la tremendas fuerzas de marea, similares a la acción de la Luna sobre los mares en la Tierra.

Si intentáramos construir robots de materiales infinitamente fuertes, y enviarlos cerca del agujero, otros extraños fenómenos ocurrirían. Parecería que sus relojes se irían frenando, al ser vistos por un observador externo. Y la frecuencia de la luz o la radiación de radio que nos enviarían iría disminuyendo. Las longitudes de onda de la luz aumentarían, por tanto, sufriendo el llamado corrimiento al rojo gravitatorio. La luz, al pasar por la proximidad de un agujero negro, vería desviada su trayectoria.

Pero, ¿existen en realidad los agujeros negros? Cuando una estrella de gran masa muere, su núcleo colapsa para formar una estrella de neutrones con la masa del Sol, pero el tamaño de una ciudad. La velocidad de escape puede ser aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz. Si el material se va apilando sobre la estrella de neutrones para dar una masa total que exceda dos o tres veces la masa del Sol, su fuerza no podrá resistir la gravedad. Colapsará para formar un agujero negro.

El agujero negro mismo sería invisible desde la Tierra, pero su enorme gravedad podría arrastrar materia cercana. La materia, caería hacia  el agujero negro en espiral, a  través de un  disco plano de acrecimiento en rotación. El material cerca del horizonte orbitaría casi a la velocidad de la luz, y la fricción en el disco calentaría el gas a altas temperaturas, haciendo que emita rayos-X. Esos rayos-X han sido detectados por telescopios especiales en órbita alrededor de la Tierra. Estudios de estas fuentes de rayos-X muestran que algunas de ellas están relacionadas con estrellas de neutrones devorando gas que proviene de una estrella cercana. Pero algunas son demasiado masivas para ser estrellas de neutrones, y la única alternativa posible es un agujero negro. De particular fama es la fuente Cygnus X-1, que tiene un agujero negro de aproximadamente 10 masas solares.

Por asombrosos que estos agujeros negros puedan ser, parecen poca cosa en comparación con los agujeros negros que se ocultan en núcleos  de  galaxias. Agujeros negros "supermasivos", con masas de hasta 1000 milones de masas solares o más, ser propusieron en 1964 como posible explicación para la increible energía emitida por los cuásares.

Los cuásares son fuentes de energía que se concentran en los núcleos de algunas galaxias. Son en torno a un billón de veces más luminosos que el Sol y mucho más brillantes que la galaxia que los aloja. La luminosidad proviene de una región del tamaño de Sistema Solar, a juzgar por las rápidas variaciones de brillo de algunos cuásares. Semejante liberación de energía concentrada podría resultar de gas cayendo hacia un agujero negro. La cantidad de energía disponible por este proceso acerca el límite teórico de E=mc2. Se necesita una masa muy grande para evitar que la radiación de un cuásar expulse al mismo gas que le alimenta. A medida que la materia alcanza el contorno interior del disco y cae sobre el agujero, su masa se suma a la masa del agujero. Este mismo proceso puede haber provocado que estos agujeros crecieran a partir de masas iniciales mucho más modestas. El disco debería estar extremadamente caliente y debería emitir energía óptica y ultravioleta. La energía detectada al observar cuásares se concentra precisamente en esta parte del espectro, dando apoyo a la teoría de que los cuásares albergan agujeros negros.

Otras evidencias más directa de la existencia de agujeros negros masivos en los centros de las galaxias provienen de observaciones de estrellas y gas en el centro de galaxias cercanas. Las altas velocidades de esas estrellas y nubes de gas delatan la presencia de un masa muy concentrada. Las observaciones del centro de nuestra propia galaxia de la Vía Láctea revelan la presencia de un objeto de al menos un millón de masas solares. Esta masa está tan concentrada que la única explicación plausible parece ser un agujero negro. Los agujeros negros en galaxias cercanas varían entre millones y miles de millones de masas solares.

¿Llegará el día en que un agujero negro amenaze la Tierra? Existen muchísimos menos agujeros negros que estrellas en nuestra galaxia, y la posibilidad de que una estrella ordinaria choque con el Sistema Solar es casi despreciable. El agujero negro en el centro de la Vía Láctea es demasiado masivo para desplazarse muy lejos. Incluso en el caso en que su masa aumentara sustancialmente, su tamaño seguiría siendo minúsculo en comparación con la distancia que lo separa de nosotros. Su gravedad seguiría, en cualquier caso, siendo una pequeña parte del empuje total que las otras estrellas, gas, y materia oscura, ejercen sobre nuestro Sol y lo mantienen en su majestuosa órbita en el disco de la Vía Láctea.