Atomen zijn opgebouwd uit drie elementaire deeltjes; protonen, neutronen
en electronen. De eerste twee, de (positief geladen) protonen en (neutrale)
neutronen bevinden zich in de kern van een atoom en de electronen bewegen
zich in orbitalen rond deze kern. Het aantal electronen is even groot
als het aantal protonen (ongeladen atoom).
De massa van een atoom word bepaald door de protonen en neutronen, die
1837 maal zo zwaar zijn als een electron, maar de grootte van het atoom
wordt bepaald door de electronenwolk. Bijvoorbeeld, een waterstofatoom
is 1,0*1010 meter groot, de kern meet slechts 1,0*1014 meter. Het grootste
deel van een atoom is dus leeg.
Onder normale omstandigheden bewegen de electronen zich rond de kern,
waarbij ze "weten" bij welke kern ze behoren. De kernen kunnen
elkaar dus ook niet dichter naderen dan de diameter van de buitenste electronenschil,
de atoomdiameter. Hoe dichter de atomen elkaar naderen, hoe groter de
dichtheid.
In witte dwergen komen dichtheden voor die 1000
maal groter zijn dan bij gewone materie. Om dit voor elkaar te krijgen
moeten de atoomkernen dichter bij elkaar gebracht worden. Dit kan alleen
wanneer de electronenschillen gekraakt worden.
Bij drukken van rond de 1,0*1012 atmosfeer is het mogelijk om de schillen
met electronen volleig te kraken. De electronen bewegen zich op dat moment
zonder enige orde tussen de kernen door. De dichtheid die hierdoor bereikt
kan worden ligt in de orde van 0,01 tot 100 ton / cm3.
In deze staat leveren de electronen een enorme tegendruk op zodat de verpletterende
zwaartekracht gecompenseerd wordt. De witte dwerg kan op deze manier een
evenwicht bewaren.
In de witte dwergen heerst een evenwicht tussen de zwaartekracht en de druk
van het electronengas. Dit gas kan deze druk leveren omdat de electronen
zich met grote snelheden voortbewegen.
Deze snelheid is eindig, en bij een bepaalde zwaartekracht zal het electronengas
niet voldoende tegendruk meer leveren. De witte dwerg zal op dat moment
ineenstorten. De indiër Chandrasekhar (1931) berekende dat de maximale
massa van een witte dwerg 1,44 zonsmassa's is, de Chandrasekhar limiet.
Wanneer de massa groter wordt, zullen de electronen verder naar de kernen
toe bewegen. Langzaam worden de kernkrachten overwonnen en tenslotte zullen
de electronen in de kern zelf belanden. Het resultaat is een samengaan van
electronen en protonen met als product een neutron.
De tegendruk die tot dusver geleverd werd door het electronengas valt volledig
weg en de ster stort helemaal in. Er vormt zich een bal van neutronen, een
atoomkern met een atoomgetal van 1,0*1057.
Wanneer de kern van een ster van 40 zonsmassa's of meer in elkaar valt, leveren neutronen niet voldoende energie meer om de val tegen te gaan. Het neutronengas degenereerd en de neutronen vallen uiteen tot de ementaire deeltjes waaruit het bestaat. Wat nu overblijft is een zwart gat. Verder ineenstorten is niet meer mogelijk. Daarom is de term singulariteit een verkeerde benaming voor zwarte gaten. Wanneer aangenomen wordt dat er na de degeneratie van neutronen niets meer is dat verdere ineenstorting zou kunnen voorkomen, zal de kern samenkomen in een punt van een afmeting nul met een oneindig hoge dichtheid. (dit is de natuurkundige beschrijving van een singulariteit). Maar een gas van quarks kan wel voldoende tegendruk opleveren om het zwart gat een afmeting te geven. In plaats van singulariteit kan daarom ook beter de naam quarkster gebruikt worden.
De zwaartekracht van een zwart gat is zo hoog dat deze de lichtsnelheid overtreft. Op deze manier is het onmogelijk voor fotonen om aan deze elementaire massa te ontsnappen en dus kan een zwart gat niet direct gezien worden. Er is dus een bepaalde grens, waar de ontsnappingssnelheid de lichtsnelheid gaat overschrijden. Alles buiten die horizon kan nog waargenomen worden en daarom wordt dit gebeurtenishorizon genoemd. (Schwarzschild-radius).
Wanneer een zwart gat zich in een omloopbaan van een ster bevindt kan de aanwezigheid indirect worden waargenomen. Door de enorme zwaartekracht wordt er materie van de ster getrokken. Deze materie versneld enorm en vormt een accretieschijf rond het zwart gat. Daar worden de gassen door de grote snelheid en de wrijving warm voordat het de gebeurtenishorizon doorbreekt en voorgoed uit het heelal verdwijnt. Bij deze hoge temperaturen begint de materie röntgenstraling uit te zenden.
Zwarte gaten kunnen een oneindige bron van energie zijn. Wanneer een zwart gat gevangen kan worden, en er wordt materie toegevoegd zal bij 1 gram materie meer dan 1,0*1013 joule aan energie uitgestraalt. Er wordt dan vanuit gegaan dat slechts 10% van de vrijgekomen energie wordt uitgestraalt.