A téridő olyan tartományát, amelyből semmiféle sugárzás vagy információ nem jut ki, fekete lyuknak nevezzük. A fekete lyukakat csak a környezetükre gyakorolt erős gravitációs hatásuk alapján lehetséges megfigyelni. 1795-ben már Laplace felvetette, hogy egy igen nagytömegű objektumból még a fény sem tud kijutni. Később, 1916-ban Karl Scwarzschilda német csillagász az általános relativitáselmélet alapján kidolgozta a fekete lyukak gravitációs modelljét. Ennek alapján minden olyan test, melynek a Swarzschild-féle gravitációs sugárnál kisebb a sugara, az fekete lyuk. Például a Napnak csupán 2,5 kilométer a gravitációs sugara, ám ha egy 5 naptömegű test olyan sűrű, hogy sugara 20 kilométernél kisebb, akkor az már fekete lyuk. Ilyen sűrűségű még a neutroncsillag sem lehet, ezért észlelhetjük a pulzárokat, de hogyan alakulhatnak ki a fekete lyukak?
Chandrasekhar indiai csillagász 1931-ben a fehér törpecsillagok vizsgálatakor megállapította, hogy egy bizonyos tömeg felett már nem marad hidrosztatikus állapotban, hanem összeomlik, amit I. típusú szupernóva-robbanásként figyelhetünk meg. Ha egy csillag nagyobb, mint 8 naptömeggel kezdte életét, akkor öregkorát befejezvén II. típusú szupernóva-robbanást produkálva omlik össze, és közel 1-2 naptömegű neutroncsillag keletkezik. Eddington 1935-ben kidolgozott elmélete szerint egy közelítőleg 3 naptömegű neutroncsillag, csakúgy, mint egy fehér törpe, sem maradhat hidrosztatikailag stabil állapotban, és összeomlik, fekete lyuk lesz belőle. Az 1990-es évekig azonban nem sikerült megfigyelni ilyen jelenséget. A 1990-es években kétféle típusú fekete lyuk gyanús objektumokat figyeltek meg: kettős csillagrendszerekben 3-10 naptömegnyi, illetve úgynevezett szupermasszív, több millió naptömegű fekete lyukakat.
Az olyan kettőscsillag-rendszerekben, amelyekben anyagátadás zajlik (akkréciós korong kialakulását eredményezve), észlelhetővé válik a fekete lyuk. Egy ilyen rendszer a CygnusX-1 forrás. Ebben a rendszerben a fényes csillag fényváltozásának periódusából kiszámítható, hogy egy közelítőleg 8 naptömegű sötét objektum körül kering. A központi objektum nem lehet más, mint fekete lyuk. A fekete lyukak számát a csillagfejlődési modellek alapján becsülve, Galaktikánkban, a Tejútrendszerben 10 milliárdnyi fekete lyuk lehet, ám ezekből csak néhány tucatot sikerült eddig észlelni.
A több millió naptömegnyi objektumok létét először az igen erőteljesen sugárzó, úgynevezett Seyfert típusú galaxisok észlelése bizonyította. A Seyfert-galaxisok tőlünk igen távoli extragalaxisok, magjuk igen erős röntgensugárzást bocsát ki. E galaxisok sugárzása lényegében a középpontjukban valószínűsíthető fekete lyukba hulló anyag által létrehozott akkréciós korongból származik. A sugárzás intenzitásából és annak változási sebességéből megbecsülhető a központi objektum tömege és sugara. Ezek szerint a centrumban egy több millió naptömegű, igen kis átmérőjű objektum, tehát egy fekete lyuk van.
Újabb vizsgálatok kimutatták, hogy a Tejútrendszer középpontjából is ehhez hasonló típusú röntgensugárzás érkezik hozzánk. A mérések szerint a Tejútrendszer középpontjában egy 2-3 millió naptömegnyi sötét objektum, egy fekete lyuk található. Mára világossá vált, hogy az igen nagy távolságban lévő, erős sugárzást kibocsátó, és igen kis átmérőjű csillagszerű források, a kvazárok energiájának forrásai is ilyen több millió naptömegű fekete lyukak lehetnek. A csillagászok továbbá ma azt feltételezik, hogy a galaxisok spirálszerkezetének (ahol folyamatos csillagkeletkezés zajlik) kialakulását is ez a központi, láthatatlan objektum okozza.
