Mặc dù các vật thể có trường hấp dẫn cường độ cao (mà ánh sáng không thể thoát ra) đã được xem xét vào thế kỷ 18, Karl Schwarzschild đã đưa ra giải pháp hiện đại đầu tiên của thuyết tương đối rộng vào năm 1916, mô tả một hố đen. Khám phá Cygnus X-1 năm 1964 đã lấp đầy một mảnh ghép còn thiếu của Einstein và mở rộng hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Karl Schwarzschild, giám đốc Đài quan sát vật lý thiên văn ở Potsdam, đồng thời là một nhà lý thuyết và toán học xuất sắc. Bất chấp sự nghiệp thiên văn của mình, Schwarzschild, khi đó ở tuổi 40, vẫn tham gia nỗ lực chiến tranh.

Năm 1958, David Finkelstein công bố giải thích của hố đen là một vùng không gian mà từ đó không gì có thể thoát ra được. Sau đó, một nhà vật lý lý thuyết người Mỹ John Wheeler đã liên kết thuật ngữ “lỗ đen” với các vật thể có sự sụp đổ hấp dẫn được dự đoán vào đầu thế kỷ 20. Ông đã sử dụng thuật ngữ "lỗ đen" trong một bài thuyết trình tại Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA vào năm 1967.

Vì ánh sáng không thể thoát khỏi lực hấp dẫn khổng lồ của một hố đen nên bạn không thể trực tiếp quan sát nó. Tuy nhiên, bạn có thể thấy lực hấp dẫn của nó ảnh hưởng đến các thiên thể và khí gần đó như thế nào. Chúng ta có thể đưa ra sự hiện diện của các hố đen và nghiên cứu chúng bằng cách phát hiện ảnh hưởng của chúng lên các vật chất khác gần đó.

Các nhà thiên văn học nghiên cứu các ngôi sao để xem liệu chúng đang quay xung quanh hay bay quanh một hố đen. Khi một ngôi sao và lỗ đen ở gần nhau, bức xạ sẽ được phát ra, bức xạ này thường được chụp bởi các kính viễn vọng và vệ tinh trong không gian. Vào năm 2019, các nhà khoa học đã chụp được hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen, nằm cách xa 500 triệu nghìn tỷ km. Nó đã được chụp ảnh bởi một mạng lưới 8 kính viễn vọng trên khắp thế giới. Hố đen siêu lớn này có chiều ngang 40 tỷ km và có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt trời.

Một hố đen có ba lớp: điểm kỳ dị, chân trời sự kiện bên ngoài và bên trong. Tâm của lỗ đen được gọi là điểm kỳ dị . Đây là vùng mà tất cả khối lượng bị nén xuống gần khối lượng bằng không. Do đó, điểm kỳ dị có mật độ gần như vô hạn và tạo ra một lực hấp dẫn khổng lồ. Chân trời sự kiện bên ngoài là lớp ngoài cùng mà từ đó các vật chất vẫn có thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của lỗ đen. Lực hấp dẫn lên lớp này không mạnh bằng lớp giữa hoặc lớp giữa.

Có bốn loại lỗ đen (ba lỗ thực và một lỗ giả định):

• Hố đen sao: là những hố đen nhỏ có khối lượng từ 5 đến vài chục lần khối lượng Mặt trời. Chúng được hình thành do sự sụp đổ hấp dẫn của một ngôi sao lớn.
• Hố đen siêu lớn: là những hố đen lớn nhất có khối lượng từ hàng trăm nghìn đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Nguồn gốc của chúng vẫn còn là một lĩnh vực nghiên cứu mở.
• Các lỗ đen trung gian có khối lượng lớn hơn đáng kể so với các lỗ đen sao nhưng nhỏ hơn các lỗ đen siêu lớn. Bằng chứng mạnh mẽ nhất cho những thiên thể như vậy đến từ một số hạt nhân thiên hà hoạt động với độ sáng thấp.
• Lỗ đen nguyên thủy là những lỗ đen giả thuyết có thể hình thành ngay sau Vụ nổ lớn. Khối lượng của chúng có thể nhỏ hơn nhiều so với khối lượng sao. Stephen Hawking đã nghiên cứu sâu những lỗ đen này và phát hiện ra rằng chúng có thể nặng tới 100 microgam.

Hầu hết các hố đen hình thành từ tàn tích của một ngôi sao lớn chết trong một vụ nổ siêu tân tinh. (Những ngôi sao nhỏ hơn trở thành những ngôi sao neutron dày đặc, không đủ lớn để bẫy ánh sáng.) Nếu tổng khối lượng của ngôi sao đủ lớn (khoảng ba lần khối lượng của Mặt trời), về mặt lý thuyết có thể chứng minh rằng không có lực nào có thể giữ được ngôi sao khỏi bị sụp đổ dưới tác dụng của lực hấp dẫn.

Tuy nhiên, khi ngôi sao sụp đổ, một điều kỳ lạ xảy ra. Khi bề mặt của ngôi sao đến gần một bề mặt tưởng tượng được gọi là "chân trời sự kiện", thời gian trên ngôi sao chậm lại so với thời gian được giữ bởi những người quan sát ở xa. Khi bề mặt chạm đến chân trời sự kiện, thời gian đứng yên, và ngôi sao không thể sụp đổ nữa, nó là một vật thể đóng băng đang sụp đổ. Các hố đen thậm chí còn lớn hơn có thể là kết quả của các vụ va chạm giữa các ngôi sao. Ngay sau khi ra mắt vào tháng 12 năm 2004, kính thiên văn Swift của NASA đã quan sát thấy những tia sáng mạnh, thoáng qua được gọi là vụ nổ tia gamma.

Một hố đen có thể có khối lượng nhỏ bằng mặt trăng của Trái đất và khổng lồ bằng mười tỷ lần khối lượng của Mặt trời. Khối lượng của nó tỷ lệ với kích thước của chân trời sự kiện, được đo bằng bán kính Schwarzschild. Nó là bán kính mà tại đó vận tốc thoát ra bằng vận tốc ánh sáng. Bán kính Schwarzschild của Trái đất có kích thước bằng một viên bi. Điều này có nghĩa là bạn phải nén trái đất đến kích thước của một viên bi để biến nó thành một hố đen. Hơn nữa, không có lỗ đen nào là nhỏ vô hạn. Khối lượng tối thiểu lớn hơn hoặc bằng khối lượng Planck khoảng 22 microgram.

Các nhà vật lý Israel tại Viện Công nghệ Technion - Israel đã tạo ra gần 100.000 hố đen có kích thước 0,1 mm, bao gồm 8.000 nguyên tử rubidi ở thể khí. Mục tiêu của họ là quan sát xem liệu các cặp photon có xuất hiện ở rìa của chân trời sự kiện hay không. Ở đây cần phải nhấn mạnh rằng không gian này trống rỗng, vì vậy các hạt được cho là xuất hiện từ chân không, tức là từ hư không. Giả thiết là một trong các photon sẽ rơi vào hố đen và hạt kia sẽ rời khỏi nó. Do đó, bức xạ phải đứng yên.

Về bản chất, các ngôi sao sáng nhất, khối lượng lớn nhất, có tuổi thọ ngắn nhất, vì chúng đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn nhiều so với các ngôi sao có khối lượng thấp hơn. Khi chúng đã đạt đến giới hạn của mình và không thể dung hợp các nguyên tố nữa, chúng sẽ đi đến cuối cuộc đời và trở thành những xác chết. Khi một ngôi sao sụp đổ vào một không gian cực kỳ nhỏ, nó vẫn giữ nguyên toàn bộ khối lượng đó. Để bảo toàn momen động lượng, tốc độ quay của hố đen tăng lên.

Khi hố đen quay, khối lượng của nó khiến không-thời gian gần đó cũng quay theo. Vùng này được gọi là ergosphere. Đây là khu vực (bên ngoài chân trời sự kiện) nơi xảy ra nhiều hiệu ứng thú vị khác nhau. Chân trời sự kiện của nó càng nhỏ, nó quay càng nhanh. Tuy nhiên, có một giới hạn tốc độ đối với tốc độ quay của một lỗ đen mà không để lộ điểm kỳ dị của nó với phần còn lại của Vũ trụ. Hố đen sao nặng nhất (GRS 1915 + 105) trong Dải Ngân hà đang quay 1.150 lần mỗi giây. Và có một lỗ đen trong thiên hà NGC 1365, đang quay với tốc độ bằng 84% tốc độ ánh sáng. Nó đã đạt đến giới hạn tốc độ vũ trụ và không thể quay nhanh hơn nữa.

Năm 2003, các Nhà thiên văn sử dụng Đài quan sát tia X Chandra của NASA đã phát hiện ra sóng âm thanh từ một hố đen siêu lớn nằm cách Trái đất 250 triệu năm ánh sáng. 'Nốt' là sâu nhất từng được phát hiện từ bất kỳ thiên thể nào. Hố đen nằm ở trung tâm của cụm thiên hà Perseus và các sóng âm thanh phát ra từ nó đã được hoán vị lên 57 và 58 quãng tám để chúng có thể nghe được đối với thính giác của con người.

Khi hố đen kéo một thứ gì đó vào, chân trời sự kiện của nó làm tăng tốc hạt gần bằng tốc độ ánh sáng, tạo ra âm thanh. Các kính thiên văn đặt trong không gian ghi lại các sóng âm thanh đã truyền đi hàng triệu năm ánh sáng từ nguồn của hố đen. Nhưng âm thanh không thể truyền trong chân không, vậy làm thế nào chúng ta nghe thấy lỗ đen? Trên thực tế, không gian bên ngoài không phải là một chân không hoàn toàn. Nó bao gồm một số nguyên tử hidro (cộng với các khí khác) trên một mét khối, được dùng làm môi trường truyền sóng âm tần số rất thấp.

Do ảnh hưởng của lực hấp dẫn cực lớn, một hố đen có thể làm sai lệch không-thời gian ở khu vực lân cận. Theo thuyết tương đối rộng, càng đến gần hố đen, thời gian càng chạy chậm. Đường chân trời sự kiện là ranh giới xung quanh lỗ đen, nơi mọi vật chất, kể cả ánh sáng, đều mất khả năng thoát ra ngoài. Lực hấp dẫn là không đổi trên đường chân trời sự kiện.

Một hố đen quay tròn tạo ra một hiệu ứng kỳ lạ được gọi là kéo khung. Trong hiệu ứng này, không gian và thời gian gần hố đen thực sự bị kéo theo nó. Không gian kéo mạnh đến mức không thể di chuyển theo hướng ngược lại. Đó là một hồi quy vô hạn của những biến dạng mà không có cách nào để tiến lên phía trước. Nhìn chung, các định luật vật lý cổ điển như chúng ta biết không còn hoạt động bên trong chân trời sự kiện, không thực sự có thể hình dung được bất cứ thứ gì có mật độ vô hạn và khối lượng bằng không.

Nếu bạn rơi vào một hố đen, cơ thể của bạn sẽ bị kéo ra thành một sợi dài giống như sợi mì spaghetti. Giả sử đó là một lỗ đen nhỏ, bạn sẽ bị bóp méo bởi lực hấp dẫn thủy triều cực lớn. Lực thủy triều là sự khác biệt giữa trọng lực trên đầu và chân của bạn. Lực tác động lên đầu (nếu bạn ngã đầu) sẽ mạnh hơn nhiều so với lực tác động lên chân.

Sự khác biệt này sẽ khiến bạn cảm thấy như có thứ gì đó đang xé toạc bạn, kéo dài bạn từ đầu đến chân. Đầu của bạn càng đến gần hố đen, nó càng di chuyển nhanh hơn. Nhưng nửa dưới của cơ thể bạn ở xa hơn và do đó, di chuyển về phía trung tâm không nhanh. Khi lực thủy triều vượt quá lực phân tử liên kết da thịt của bạn, cơ thể bạn sẽ vỡ ra thành hai mảnh, và hai mảnh đó sẽ vỡ thành hai mảnh khác, v.v. Bạn sẽ được đùn qua lớp vải không, thời gian giống như kem đánh răng qua một cái ống.

Mọi người thường nghĩ về một hố đen như một chân không vũ trụ hút vật chất từ xung quanh.Các lỗ đen giống như bất kỳ thiên thể nào khác nhưng có ảnh hưởng hấp dẫn rất lớn lên không gian xung quanh chúng. Lực hấp dẫn này chỉ làm cho vật chất xung quanh chúng tăng tốc nhanh chóng. Các lỗ đen phát triển hàng loạt bằng cách thu giữ vật chất gần đó. Bất cứ thứ gì đi vào chân trời sự kiện đều không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của lỗ đen. Vì vậy những đồ vật không giữ khoảng cách an toàn sẽ bị nuốt vào bụng.

Ngay cả khi bạn thay thế Mặt trời của chúng ta bằng một hố đen có khối lượng tương đương, Trái đất sẽ không rơi vào. Lỗ đen sẽ có cùng trường hấp dẫn với Mặt trời. Trái đất và các hành tinh khác sẽ tiếp tục quay quanh hố đen như nó quay quanh Mặt trời ngày nay. Và vì Mặt trời không đủ lớn nên nó sẽ không bao giờ biến thành một lỗ đen. Bất chấp danh tiếng của chúng, các lỗ đen sẽ không thực sự hút các vật thể từ khoảng cách lớn.

Một hố đen chỉ có thể chụp những vật thể đến rất gần nó. Bóng tối vĩnh viễn sẽ rơi xuống Trái đất, nhưng các hành tinh sẽ tiếp tục quay xung quanh lỗ đen với cùng khoảng cách và tốc độ như bây giờ. Không có hành tinh nào sẽ bị hút vào lỗ đen. Trái đất của chúng ta sẽ gặp nguy hiểm chỉ nếu nó đến trong khoảng 10 dặm từ lỗ đen, ít hơn nhiều so với khoảng cách thực của Trái đất từ Mặt trời (93 triệu dặm).