Горизонт событий — это гиперповерхность в пространстве-времени, которая отделяет область, доступную внешнему наблюдателю, от области, недоступной для него. События, происходящие внутри горизонта, не могут повлиять на будущее вне его, поскольку ни частицы, ни электромагнитное излучение не способны пересечь эту границу наружу. Таким образом, горизонт событий играет роль «односторонней мембраны», определяющей границу причинно-следственной структуры чёрной дыры.
В строгой математической формулировке горизонт событий определяется как граница области будущего светового конуса, которая не может быть связана с бесконечно удалённым наблюдателем (так называемая нулевая поверхность). Его природа не связана с локальными особенностями метрического поля, а определяется глобальной топологией и динамикой гравитации.
Горизонт событий непроницаем снаружи внутрь, однако всё, что пересекает его в направлении к центру, теряет возможность выхода обратно. С математической точки зрения, это отражает неравенство наклона световых геодезических: при пересечении горизонта все траектории — как материальные, так и безмассовые — становятся строго направленными внутрь.
Горизонт событий не является материальной оболочкой, он не состоит из вещества или поля в привычном смысле. Тем не менее, в координатных системах, связанных с внешним наблюдателем, горизонт ведёт себя как неподвижная поверхность. Например, в метрике Шварцшильда радиус горизонта совпадает с радиусом Шварцшильда
$$ r_s = \frac{2GM}{c^2}. $$
Эта поверхность оказывается фиксированной в пространстве и не подверженной локальным возмущениям.
Горизонт событий является нуль-поверхностью, что означает, что его нормальный вектор также является светоподобным. В терминах геометрии это означает, что сама поверхность обладает особыми причинно-следственными свойствами: вдоль горизонта распространяются световые лучи, остающиеся «замороженными» на границе.
Квантовые эффекты вблизи горизонта событий приводят к испарению чёрных дыр через излучение Хокинга. Температура этого излучения обратно пропорциональна массе чёрной дыры:
$$ T_H = \frac{\hbar c^3}{8\pi GMk_B}. $$
Таким образом, большие астрофизические чёрные дыры обладают чрезвычайно низкой температурой, близкой к абсолютному нулю, тогда как микроскопические чёрные дыры (гипотетические) могли бы испаряться чрезвычайно быстро.
К горизонту событий привязано понятие энтропии чёрной дыры. Бекенштейн показал, что энтропия пропорциональна площади горизонта:
$$ S = \frac{k_B c^3 A}{4G\hbar}, $$
где A — площадь горизонта. Это радикальное открытие показывает, что информация о содержимом чёрной дыры кодируется на её поверхности, а не в объёме, что послужило основой для развития голографического принципа в современной физике.
Хокинг доказал, что при любых классических процессах площадь горизонта событий не уменьшается. Это утверждение является аналогом второго закона термодинамики и утверждает необратимость гравитационных процессов. При слиянии двух чёрных дыр площадь результирующего горизонта всегда больше суммы площадей исходных горизонтов.
После возмущения горизонта, например при аккреции вещества или при слиянии чёрных дыр, он испытывает затухающие колебания, называемые квазинормальными модами. Эти колебания определяют спектр гравитационно-волнового излучения, что было подтверждено современными детекторами LIGO и Virgo.
В случае невращающейся и незаряженной чёрной дыры горизонт событий представляет собой сферическую поверхность с радиусом Шварцшильда. Это простейший пример, где геометрия симметрична и стационарна.
Для заряженной чёрной дыры появляются два горизонта: внешний и внутренний. Внешний играет роль привычного горизонта событий, а внутренний образует так называемую область Коши, связанную с возможными нарушениями предсказуемости.
Для вращающейся чёрной дыры также существуют два горизонта, однако их структура связана с явлением эргосферы — области за пределами горизонта, где невозможно оставаться в покое относительно удалённых звёзд. Это существенно меняет физику аккреции и процессов энерговыделения в окрестности чёрных дыр.
Наблюдательные проявления горизонта событий носят косвенный характер, поскольку сам горизонт не излучает и не отражает свет. Однако аккреционные диски, джеты и релятивистские эффекты, возникающие вблизи горизонта, позволяют астрономам изучать его свойства. Прямое подтверждение существования горизонта было получено в 2019 году проектом Event Horizon Telescope, получившим изображение тени чёрной дыры в галактике M87.