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Nicht jeder entartete Eisenkern muß aber sein Schicksal als Neutronenstern beenden. Obwohl die Neutronensterne nur noch einen kleinen Teil der Masse des ursprünglichen Sterns haben, können sie immer noch mehrere Sonnenmassen in sich vereinen. Ab einer bestimmten Grenzmasse kann der Neutronenstern gar nicht mehr stabil bleiben, sondern muß unter seiner eigenen Gravitationskraft zusammenstürzen. Sie liegt etwa bei 3,2 Sonnenmassen, doch auch darunter ist ein Gravitationskollaps möglich. Um als Neutronenstern diese Grenzmasse zu erreichen, muß ein Stern im Normalfall am Beginn mehr als 20 Sonnenmassen gehabt haben.
Bei einem ausreichend schweren Neutronenstern überwindet die Gravitation selbst die Kernkräfte, und der Neutronenstern beginnt, in sich zusammenzustürzen. Dabei wird die Entweichgeschwindigkeit an seiner Oberfläche immer größer. Für jeden Stern gibt es einen sogenannten Schwarzschild-Radius, bei dem die Entweichgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Er beträgt 2,97 Kilometer pro Sonnenmasse, für einen Körper mit 10 Sonnenmassen also 29,7 Kilometer. Sinkt der Radius eines Neutronensterns also unter seinen Schwarzschild-Radius, so ist die Entweichgeschwindigkeit an seiner Oberfläche sogar größer als die Lichtgeschwindigkeit. (Sobald der Radius eines Körpers unter seinen Schwarzschild-Radius gesunken ist, kann man allerdings den Radius aufgrund der extremen Verzerrungen der Raumzeit nicht mehr berechnen. Nur noch der Umfang ist berechenbar, er beträgt 18,5 Kilometer pro Sonnenmasse.) Der Schwarzschild-Radius wird auch Ereignishorizont genannt, da von hier aus keine Information mehr nach außen dringen kann. Der Stern kann also kein Licht, keine Strahlung, keine Teilchen und auch sonst nichts mehr emittieren. Wenn er diesen Zustand erreicht hat, ist er ein Schwarzes Loch.
Schwarze Löcher sind extreme Gebilde. Es ist nicht genau bekannt, auf welchem Raum ihre Masse konzentriert ist, und wie hoch deshalb ihre Dichte ist. Auf jeden Fall beulen sie die Raumzeit nicht aus, wie ein anständiger Stern das tun würde, sondern sie machen einen unendlich tiefen Einstich. Sie schnüren sich sozusagen vom restlichen Universum ab.
Bei diesen Verzerrungen werden auch die Gezeitenkräfte interessant. Sie ziehen jeden Gegenstand in der Nähe des Schwarzen Lochs in die Länge (vom Schwarzen Loch aus gesehen). Dies liegt daran, daß jedes Atom im nahen Körper direkt zum Mittelpunkt des Schwarzen Lochs gezogen wird, und zwar unterschiedlich stark. Schwebt ein Astronaut "stehend" über einem Schwarzen Loch, so werden seine Beine sehr stark angezogen, der Kopf (relativ zu den Beinen) nur schwach. Die beiden Arme werden mäßig stark angezogen, jedoch in Richtung Körpermitte hin. Auf diese Weise wird der Astronaut gleichzeitig in Längsrichtung gedehnt, in Querrichtung aber gequetscht. Die Gezeitenkräfte wirken sich um so stärker aus, je näher der Gegenstand am Ereignishorizont ist und je masseärmer das Schwarze Loch ist.
Da nichts aus einem Schwarzen Loch entweichen kann, muß seine Masse entweder konstant bleiben oder zunehmen. Dies ist überhaupt bei jeder Sternendstufe der Fall, wenn auch nicht durch physikalische Gesetze erzwungen. Es ist einfach höchst selten, daß zum Beispiel ein Neutronenstern, ein Weißer oder ein Brauner Zwerg durch irgendeinen Zwischenfall Masse verlieren sollte. Gewinnen kann er sie aber wohl, und so ist es nie ausgeschlossen, daß diese Endstufenformen so viel Masse zulegen, daß sie eine neue Endform bilden. Zum Beispiel kann ein Brauner Zwerg genügend Masse ansammeln, um die Wasserstoffusion einzuleiten, sofern er die Gelegenheit und genügend Zeit dazu hat. Wenn man es so betrachtet, ist ein Schwarzes Loch also die einzige wirklich stabile Endstufe überhaupt, da es keine Massenobergrenze kennt.
Mit der Masse eines Schwarzen Lochs wächst natürlich auch der Schwarzschild-Radius und damit seine "Oberfläche". Tatsächlich gilt, daß die Oberfläche eines Schwarzen Lochs immer zunehmen oder konstant bleiben muß. Selbst wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, muß die neue Horizontoberfläche größer sein also die Summe der beiden ursprünglichen. Dies erinnert stark an die Gesetze der Thermodynamik, wonach die Entropie in einem geschlossenen System nur zunehmen kann. Tatsächlich gibt es noch mehr Analogien. So kann man die Gravitationskraft am Ereignishorizont als Temperatur eines Schwarzen Lochs betrachten.
Interessant ist die Frage, wie denn ein Schwarzes Loch eine so hohe Entropie haben kann. Immerhin ist es ein sehr einfaches Objekt. Alle seine Eigenschaften sind festgelegt durch seine Masse, seine Ladung und seinen Drehimpuls. Wenn man Materie hineinfallen läßt, kann man nicht mehr sagen, ob es Materie oder Antimaterie, Wasserstoff oder Uran, ein Würfe oder eine Kugel waren. Man kann (und auch das nur theoretisch) wieder nur die Masse, die Ladung und den Drehimpuls bestimmen. Verblüffend war die Entdeckung, daß die Entropie dem Logarithmus der Möglichkeiten entspricht, wie ein Schwarzes Loch mit genau der gemessenen Masse, der gemessenen Ladung und dem gemessenen Drehimpuls entstanden sein kann.
Wenn man jetzt aber tatsächlich Gravitation mit Temperatur und Horizontoberfläche mit Entropie gleichsetzt, so gelingt ein weiterer Analogieschluß nicht. Die Gesetze der Thermodynamik schreiben nämlich vor, daß jeder Körper, dessen Temperatur nicht gleich Null ist, Strahlung in irgendeiner Form aussenden muß. Wie wir jedoch gesehen haben, kann aus einem Schwarzen Loch nicht einmal Licht entweichen, jedenfalls, solange wir klassische Gesetze zur Beschreibung von Schwarzen Löchern verwenden.
Dies ändert sich jedoch, wenn man quantenmechanische Effekte in Betracht zieht. Egal, welche Quanteninterpretation man vorzieht, steht doch fest, daß sich spontan Teilchenpaare aus Quantenfluktuationen bilden können. Diese Teilchen borgen sich sozusagen Energie auf begrenzte Zeit aus, bevor sie sich wieder auslöschen. In der Nähe eines Schwarzen Lochs kann es aber passieren, daß ein Teilchenpaar entsteht, wobei eines der Teilchen in das Schwarze Loch gezogen wird, das andere aber gerade entkommen kann. Da nun eine Auslöschung nicht mehr möglich ist, wird ein Teilchen in den Raum emittiert. Das Auseinandertrennen, hervorgerufen durch die Gezeitenkräfte, verbrauchte eine bestimmte Menge an Energie, und das Schwarze Loch verliert nun ebenso viel Masse, wie es dieser Energie entspricht. Praktisch gesehen hat es damit ein Teilchen emittiert.
In der Tat verlieren anscheinend alle Teilchen auf diese Weise ständig Masse, und das um so schneller, je kleiner sie sind, entsprechend zur steigenden "Temperatur", also zur steigenden Gravitationskraft auf der Höhe des Schwarzschild-Radius. Aus anderen Theorien geht hervor, daß sich beim Urknall sehr kleine Schwarze Löcher gebildet haben könnten, etwa in der Größe eines Atomkerns. Diese Löcher wären heute gerade soweit, sich vollständig zu zerstrahlen, wobei die steigende Rate am Schluß zu einer Explosion führt. Solche Löcher werden primordiale Schwarze Löcher genannt. Bis jetzt konnte aber ihre Existenz noch nicht einwandfrei belegt werden.
Recht gute Beweise gibt es dagegen für die Existenz normaler Schwarzer Löcher. Sie werden hauptsächlich durch ihren gravitativen Einfluß auf Himmelskörper in ihrer Nähe oder durch harte Röntgenstrahlung aus Gas, welches sie einsaugen, nachgewiesen. Auf diese Weise hat man bereits Dutzende Schwarze Löcher entdeckt, und bei vielen ist man sich fast 100%ig sicher, daß es sich tatsächlich um Schwarze Löcher handelt.
Eine weitere Möglichkeit wäre der Nachweis von Gravitationswellen. Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, dann stürzen sie für gewöhnlich nicht gerade ineinander, sondern umkreisen einander lange Zeit, erst langsam, dann immer schneller und schneller. Da sie dabei die Raumzeit extrem verzerren, schicken sie Wellen aus, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Es sind richtige Wellen in der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden. Unglücklicherweise sind sie extrem schwach und daher bis jetzt noch nicht nachgewiesen, aber es gibt vielversprechende Versuche mit sogenannten Gravitationsinterferometern.
Selbst wenn in absehbarer Zeit kein eindeutiger Nachweis eines Schwarzen Lochs gelingt, so ist dieses Modell dennoch theoretisch so gründlich fundiert, daß es auch weiterhin allgemein akzeptiert wird.
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