Come per le nane bianche anche per le stelle di neutroni esiste un limite superiore della loro massa. Tale limite però non è definibile con altrettanta precisione perché le proprietà della materia di neutroni non sono ancora completamente chiare: possiamo solo dire che il limite superiore della massa di una stella di neutroni è di 2 o 3 masse solari. Se il nucleo di una stella dopo l'esplosione come supernova supera tale valore il collasso gravitazionale non si arresta neppure alla fase corrispondente alla densissima materia neutronica: il collasso del nucleo stellare continua perché la forza di gravità è maggiore in una stella di grande massa. La stella, o meglio quello che di essa resta, si avvia verso quella che matematicamente viene definita una singolarità: i concetti di spazio, tempo e le usuali leggi della fisica cessano elio essere valide. La radiazione che viene a trovarsi in prossimità di questa singolarità viene da questa risucchiata come da un vortice. Questo effetto di vortice è efficace fino a una notevole distanza dalla singolarità stessa; al di là di questo limite, detto orizzonte degli eventi, la forza di gravità diminuisce e la luce riesce a sfuggire anche se con frequenza fortemente alterata. Un osservatore che osservasse dall'esterno la formazione di un tale oggetto vedrebbe a un certo momento sparire la stella che precipita oltre l'orizzonte degli eventi. AI suo posto non resta che un “buco nero”, la singolarità corrispondente alla posizione della stella.

In accordo con quanto previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, in presenza di una massa lo spazio si incurva; in presenza di una grande massa assai concentrata quale è quella della stella che sta trasformandosi in buco nero, la curvatura dello spazio circostante diventa assai accentuata. Per effetto di questa curvatura se ci ponessimo su un punto di questa stella con una sorgente luminosa, un'ipotetica enorme lampada, vedremmo emergere luce solo in direzione perpendicolare alla superficie e tutt'attorno a questa direzione in un cono che con il progredire del collasso della stella tende a restringersi sempre più. I raggi luminosi che emergono con angoli tali da risultare esterni al cono sopra definito verrebbero piegati per effetto del forte campo gravitazionale e ricadrebbero sulla stella. Se il collasso della stella continua, si arriverà al momento in cui la luce della nostra lampada, per poter superare l'ostacolo rappresentato dal crescente valore del campo gravitazionale, dovrebbe avere velocità superiore a quella della luce. Ma la fisica ci insegna che non possono esistere velocità superiori a questo limite, ragion per cui l'ipotetico osservatore con la sua lampada perde la possibilità di è comunicare con il mondo esterno e viene inghiottito al di là dell'orizzonte degli eventi.

Per poter tradurre per un osservatore esterno il susseguirsi degli avvenimenti che si producono sulla superficie di questa stella collassante bisognerebbe allargare il discorso allo spazio­tempo. Sempre secondo la teoria della relatività un osservatore esterno avrebbe visto che al crescere del campo di gravità il trascorrere del tempo andava rallentando; inoltre, dopo un tempo infinito, ammesso che fosse immortale, avrebbe visto tendere all'infinito il campo gravitazionale, cioè il formarsi del buco nero.

Una volta che la stella è scomparsa entro l'orizzonte degli eventi, continua a contrarsi all'infinito fino a raggiungere la sin­golarità matematica rappresentata da un oggetto di raggio nullo. Una massa avvicinandosi al buco verrebbe da questo risucchiata e andrebbe ad accrescere la massa del buco nero; all'aumentare della massa aumenta l'orizzonte degli eventi, aumenta cioè il buco nero.

Proseguendo nell'analisi di questi modelli matematici possiamo raffigurarci un universo speculare rispetto a quello di cui facciamo parte. Le equazioni della relatività prevedono questo tipo di soluzione; volendo fare un paragone con concetti più familiari possiamo raffigurarci i due universi come l'analogo dei numeri negativi e delle due soluzioni di segno opposto di un'equazione di secondo grado. La materia che scompare in modo irreversibile dal nostro universo ricomparirebbe in questo nuovo universo per cui un osservatore vedrebbe qui una creazione di materia che emerge da un “buco bianco”. Addentrarsi nei problemi connessi con questi buchi bianchi e sui collegamenti spazio-temporali tra i due tipi di universo ci porterebbe a perderci in speculazioni che, per il momento almeno, sono solo puramente matematiche.

Possiamo invece accontentarci di dare un rapido sguardo alle prove che abbiamo o che speriamo di ottenere in un prossimo futuro riguardo alla reale esistenza dei buchi neri.

Di un buco nero noi che siamo all'esterno possiamo solo stimare la massa e la conseguente attrazione gravitazionale che essa esercita sul mezzo circostante. Se una delle componenti di un sistema binario fosse una stella ridotta a buco nero, noi potremmo arguirne l'esistenza attraverso lo studio del moto della compagna visibile intorno al bari centro del sistema. Se la soluzione del problema del calcolo delle orbite prospettasse l'esistenza di una stella compagna e invisibile di massa superiore alle tre masse solari potremmo pensare di aver scoperto un buco nero. Le ricerche in questo senso furono avviate fin dal 1964 senza portare ad alcun risultato convincente.

L'attenzione del mondo scientifico si rivolse allora allo studio delle binarie spettroscopiche nella speranza di scoprire almeno uno di tali sistemi formato da una stella gigante o supergigante che perde materia dai suoi strati più esterni e da un buco nero. In un sistema di questo tipo la materia che sfugge dalla stella visibile verrebbe catturata dal buco nero, ma prima di precipitarvi dentro almeno parte di essa circonderebbe il buco nero for­mando intorno ad esso una specie di guscio; questo gas in rapida rotazione si riscalderebbe tanto da emettere raggi X. Le osservazioni nel dominio dei raggi X sono iniziate sistematicamente col lancio dalla piattaforma San Marco in Kenia del satellite Uhuru, nel 1970. Oggi sono note numerose sorgenti di raggi X, in gran parte galassie, quasar e pulsar.

Si è scoperto inoltre che alcune sorgenti X fanno parte di sistemi binari e per una di esse, Cygnus X-l, il valore della massa si aggirerebbe intorno a otto volte la massa solare. Cygnus X-l sembra quindi essere un buco nero a meno che, come è stato proposto da alcuni astronomi particolarmente scettici, il sistema binario Cygnus X-l sia formato in realtà da tre corpi, nel qual caso non sarebbe più necessario ammettere l'esistenza di una stella compagna di massa tanto elevata. In conclusione l'esistenza di almeno un buco nero, se non accertata, sembra per lo meno assai probabile.

Un altro interrogativo resta però valido: siamo certi di avere esattamente elaborato la teoria quantistica della materia anche quando essa è sottoposta a enormi forze gravitazionali? Non possiamo escludere che in futuro vengano elaborate leggi fisiche più generali di quelle oggi note, le quali potrebbero dare un significato diverso allo spazio-tempo in queste condizioni estreme e forse eliminare quelle singolarità matematiche che oggi chiamiamo buchi neri e della cui esistenza cerchiamo disperatamente una prova certa.