黑洞是时空中的一个区域，其中的引力使任何事物，包括光，都无法越过称为事件视界的边界而逃逸。广义相对论预言了黑洞的存在，人们则通过黑洞对附近物质、辐射和时空的影响来识别它们。尽管无法直接观测黑洞内部，但绕其运行的恒星、发光气体、引力波信号以及黑洞周围环境的图像，都为其存在提供了证据。(science.nasa.gov)
相对论描述
在阿尔伯特·爱因斯坦创立的广义相对论中，引力通过时空曲率来描述。当这种几何结构形成一个区域，使其中任何向外传播的信号都无法到达远处的观测者时，黑洞便产生了。因此，黑洞并不仅仅是密度异常高的天体：其决定性特征是一道将内部与外部宇宙隔开的因果边界。(nobelprize.org)
对于不旋转且不带电的黑洞，视界位于史瓦西半径处：
其中， 为引力常数， 为黑洞的质量， 为光速。每增加一个太阳质量，该半径约增大三千米。这一公式描述的是最简单的黑洞几何结构；旋转会改变视界的结构。(nasa.gov)
在经典广义相对论中，一个孤立、定常的黑洞由质量、电荷和角动量来表征。它的视界并不是固态的物质表面。经典解中还包含引力奇点，在这里，数学描述不再完备。这并不能证明存在一个可被实际观测到的无限密度点，而是表明，在这一范围内需要更完备的理论，其中可能涉及量子引力。(hawking.org.uk)
形成与质量分类
天文学家将黑洞分为恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞，不过各类之间的质量界限只是近似的。大质量恒星耗尽燃料后，其核心坍缩可能形成恒星级质量黑洞。视具体条件而定，坍缩可能伴随超新星爆发，也可能留下中子星而非黑洞。此后，黑洞会通过捕获物质以及与其他黑洞合并而增长。(science.nasa.gov)
超大质量黑洞的质量为数十万至数十亿个太阳质量，存在于大多数大型星系的中心。它们最初如何形成，仍不确定。已提出的途径包括早期宇宙中质量极大的恒星或气体云发生坍缩，随后通过吸积与合并继续增长。宇宙历史早期就存在大质量黑洞这一事实，对这些增长机制提出了约束。中等质量黑洞的质量介于恒星级质量黑洞与超大质量黑洞之间，对于研究这两类黑洞可能存在的演化联系十分重要。(science.nasa.gov)
原初黑洞是一类假想天体，可能由早期宇宙中的高密度区域形成，而非源于恒星坍缩。它们尚未得到确凿确认，代表一种独立的形成假说，而不是已获证实的天体群体。(science.nasa.gov)
周围的物质与辐射
接近黑洞的物质可能汇聚成吸积盘，其中的轨道运动和内部相互作用会使气体升温。这些物质在越过视界之前，可以发出强烈的电磁辐射，包括X射线。因此，观测到的亮光来自黑洞周围，而不是从其内部逃逸出来的光。某些吸积系统还会以接近光速的速度向相反方向发射喷流；这些喷流起源于视界之外。(science.nasa.gov)
强烈的引力透镜效应使黑洞周围的光线弯曲，并扭曲附近气体呈现出的形貌。光被捕获和弯曲后，会在周围辐射的映衬下形成一个黑暗的“阴影”。这一阴影比事件视界更大，不应将它误认为是某个物质表面的照片。(science.nasa.gov)
物体各处所受引力加速度的差异会造成潮汐拉伸，通常称为“意大利面化”。这种效应在视界附近的强弱取决于黑洞的质量：在视界尺度上，小黑洞产生的潮汐力可能比超大质量黑洞更强。因此，越过视界与被撕裂是两种不同的物理事件。(science.nasa.gov)
观测证据
恒星的轨道能够揭示那些无法直接看见的天体的质量和致密程度。在银河系中心，对快速绕行恒星的观测确认了一个与人马座A*相关、质量约为四百万个太阳质量的致密天体。同样，也可以通过伴星的运动和随时间变化的X射线辐射来研究正在吸积的恒星级质量黑洞。(nobelprize.org)
另一类独立证据来自引力波。2015年9月14日，LIGO的两台探测器观测到了GW150914，这是由两个黑洞合并产生的信号。其随时间演变的波形记录了两个黑洞旋近、合并以及合并后的残余黑洞趋于稳定的过程，使人们得以检验强引力条件下的相对论预言。(arxiv.org)
事件视界望远镜利用相距遥远的多个天文台进行射电干涉测量。2019年4月10日，该合作团队发布了M87的阴影及周围辐射的图像。2022年5月12日，团队又发布了人马座A的图像。这两项成果都是对视界附近射电辐射的重建，而不是对黑洞内部的直接呈现。(hq.eso.org)
量子物理与热力学
黑洞将引力与量子力学及热力学联系起来。斯蒂芬·霍金的计算预言了霍金辐射，这是一种与黑洞时空中的量子效应有关、近似具有热辐射特征的辐射。对于不带电、不旋转的黑洞，预言的温度会随质量增加而降低。辐射会带走能量，并可能导致黑洞蒸发，不过恒星级质量黑洞和超大质量黑洞预期的蒸发时间远远超过宇宙目前的年龄。(hawking.org.uk)
贝肯斯坦–霍金关系赋予黑洞一种与视界面积而非体积成正比的熵。蒸发还引出了黑洞信息悖论：如果黑洞消失，关于初始量子态的信息将如何体现？对这一问题的研究探讨了量子演化、半经典辐射计算与引力的微观描述能否彼此相容。(journals.aps.org)