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黑洞是一種時空區域，其引力極強，以至於任何事物，包括粒子和電磁輻射（如光），都無法從中逃逸。黑洞的邊界稱為事件視界，一旦越過這個邊界，即使是光也無法逃脫。黑洞周圍通常有一個由氣體和塵埃組成的吸積盤，這些物質在被吸入黑洞前會發出強烈的輻射。
黑洞通常由質量巨大的恆星在燃料耗盡後引力坍縮形成。當恆星核心的核聚變停止，內部壓力無法抵抗引力，導致恆星坍縮。首先，恆星會膨脹成紅巨星，然後外層被拋出，如果剩餘核心質量超過太陽質量的約3倍，引力將壓倒所有已知的排斥力，導致物質坍縮成一個理論上密度無限大的奇點，形成黑洞。
黑洞根據質量和形成方式可分為幾種類型。恆星級黑洞由大質量恆星坍縮形成，質量通常為太陽質量的5到100倍。超大質量黑洞位於星系中心，質量可達數百萬甚至數十億倍太陽質量，例如我們銀河系中心的人馬座A星。中等質量黑洞介於恆星級和超大質量黑洞之間，質量約為太陽的數百到數萬倍。還有一種假設存在的原始黑洞，理論上可能在宇宙早期高密度區域直接形成。
黑洞具有許多奇特的特性與現象。首先是時間膨脹，愛因斯坦的廣義相對論預測，靠近黑洞的時間流逝會變慢，越接近事件視界，時間膨脹效應越明顯。其次是引力透鏡效應，黑洞強大的引力場會彎曲經過的光線，使我們能觀測到其背後的天體。霍金輻射是理論物理學家史蒂芬·霍金提出的概念，預測黑洞會緩慢地釋放輻射並最終蒸發。還有資訊悖論問題，即物質落入黑洞後，其資訊是否永久丟失，這仍是物理學中的一個開放性問題。
科學家通過多種方式研究黑洞。首先是觀測吸積盤的X射線輻射，當物質落入黑洞前，會形成高溫吸積盤並發出強烈X射線。其次是研究周圍恆星的運動軌跡，例如通過觀測銀河系中心恆星的運動，科學家確認了人馬座A星超大質量黑洞的存在。2019年，事件視界望遠鏡團隊首次拍攝到了M87星系中心黑洞的影像，這是人類首次直接「看到」黑洞。此外，LIGO和Virgo等引力波探測器已多次檢測到黑洞合併產生的引力波信號，開創了多信使天文學新時代。這些觀測和研究極大地豐富了我們對黑洞的理解。