根据现代广义相对论，宇宙空间内存在的一种密度极大、体积极小的天体，连光都无法逃脱它的引力，这种天体被命名为黑洞。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的“事件视界”。黑洞虽然无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并观测到它对其他事物的影响。
“事件视界望远镜”（EHT）项目团队发布的人类历史上第一张黑洞“照片”。该黑洞位于室女座超巨椭圆星系M87的中心，其质量是太阳的65亿倍，距离地球约5500万光年。哈勃太空望远镜拍摄的M87星系。其中心的黑洞虽然不可见，但可以显示出它的喷流（蓝色部分）。
恒星级黑洞系统示意图。黑洞在“吃掉”周围的恒星时，会撕扯恒星气体形成一个旋转的吸积盘。黑洞有时候也会“打嗝”，喷射出一部分吸积气体，形成喷流。吸积盘和喷流都会因气体摩擦而产生明亮的光线以及辐射，可由此来发现黑洞的存在。
相比于恒星级黑洞，星系级黑洞质量要大得多。银河系的中心就存在一个超大质量黑洞——人马座A*，其质量约为太阳的450万倍。图为美国国家航空航天局（NASA）钱德拉X射线望远镜记录到的黑洞一次强烈的X射线波段耀斑（椭圆区域）爆发事件。
“事件视界望远镜”不是指一个望远镜，而是由分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成的一个虚拟望远镜网络，其有效口径尺寸达到地球直径大小。位于智利查南托高原上的欧洲南方天文台（ESO）12米口径APEX亚毫米波望远镜即为其中之一。（波长为10～1毫米的电磁波称为毫米波，波长为1～0.1毫米的电磁波称为亚毫米波。）
除了EHT，NASA的“核光谱望远镜阵列”（NuSTAR）也是探测黑洞的“火眼金睛”，它擅长探测从黑洞边缘释放出的高能X射线，搜寻宇宙深处的超大质量黑洞。
人类还可以“听”到黑洞。2015年，美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到两个较小黑洞（质量是太阳的几十倍）合并的引力波信号。相关研究获得2017年诺贝尔物理学奖。