Черната дупка е област в пространство-времето, която не може да бъде напусната от нищо, дори и от светлината. Компактна маса би могла да деформира пространство-времето до такава степен, че да се образува черна дупка. Общата теория на относителността, и други теории за гравитацията, казват, че черни дупки могат да се образуват в природата, стига достатъчно маса да се натрупа в дадена област от пространството, чрез процес, наречен гравитационен колапс. С натрупването на маса в определена област от време-пространството, гравитацията ѝ става все по-силна и пространството около нея силно се деформира. Количественият анализ на тази идея довежда до предвиждането, че звезда с маса, около три пъти по-голяма от тази на Слънцето, почти неизбежно би достигнала момент в своята еволюция, когато ще изразходва всичкото си ядрено гориво и ще се свие до критичния размер, необходим за гравитационен колапс. След като той започне, колапсът не може да бъде спрян от никаква физическа сила и възниква черна дупка.

 Около черната дупка се образува математически определима повърхнина, наречена хоризонт на събитията, която маркира мястото, от което връщането е невъзможно. Черни дупки се образуват при колапса на много масивни звезди в края на техния жизнен цикъл. След образуването на черна дупка тя продължава да расте, поглъщайки материя от заобикалящото я пространство. Чрез поглъщане на други звезди и сливане с други черни дупки, за милиарди години може да се формират свръхмасивни черни дупки с маса милиони пъти по-голяма маса от тази на Слънцето. Свръх масивна черна дупка още се нарича квазар. Според общото разбиране свръхмасивни черни дупки съществуват в центровете на повечето галактики. Има съществени данни за наличието на черна дупка с повече от 4 милиона слънчеви маси в центъра на нашата галактика, Млечния път. Тя се намира до регион наречен стрелец-А. Звездата S2 около него се върти по елиптична орбита на разстояние от 17 светлинни часа. От движението на S2 може да се каже, че масата на черната дупка е поне 4,1 млн по –голяма от тази на слънцето. Вероятно всички галактики имат свръхмасивна черна дупка в центъра си. Тъй като нищо не може да напусне черната дупка, то не е възможно наблюдател извън нея да добие информация за процеси, ставащи във вътрешността ѝ. Черните дупки нямат наблюдаеми външни свойства, които да могат да бъдат използвани, за да се определи какво става във вътрешността им. Според класическата обща теория на относителността черните дупки могат да бъдат характеризирани изцяло с три параметъра: маса, момент на импулса и електрически заряд. Вътрешността на черната дупка е невидима за нас, на съществуването и може да бъде установено чрез взаимодействието с звезди и планети около нея. Черните дупки не могат да бъдат открити по светлината, която се излъчва или отразява от материята вътре в тях. Те все пак могат да се забележат чрез явленията около тях, като изкривяване в траекторията на преминаваща в близост светлина или звезди, които изглежда, че се въртят около пространство, където няма видима материя. Смята се, че най-очевидните ефекти са при падането на материя в черна дупка, която (подобно на вода, изтичаща в канализацията) се очаква да се събира в извънредно горещ и бързо въртящ се акреционен диск около обекта преди да бъде погълнат от него. Триенето между съседните зони на диска го нагорещява извънредно и той излъчва големи количества рентгенови лъчи. Това нагряване е особено ефективно и може да превърне около 50% от масата на даден обект в радиация. За сравнение ядреният синтез може да преобразува само няколко процента от масата. Други предвидени ефекти са тънките струи от частици с релативистки скорости, изхвърлени по протежение на оста на диска. Изкривяването на време-пространството в силни гравитационни полета води до забавяне на времето. В близост до черна дупка, забавянето на времето се увеличава силно. От гледна точка на външен наблюдател изглежда, че е необходимо безкрайно дълго време за приближаване на обект до хоризонта на събитията, в който момент светлината, идваща от него е безкрайно червено-отместена. За отдалечен наблюдател изглежда, че обектът, пада все по-бавно, но никога не достига, хоризонта на събитията. От гледна точка на самия падащ обект, обаче, времето за достигане на хоризонта на събитията и достигане на сингулярността е крайно. Да си представим, че злощастен космонавт пада към центъра на черна дупка. Колкото повече се приближава към хоризонта на събитията, толкова по-дълго е нужно на излъчваните от него фотони да излязат от гравитационното поле на черната дупка. Далечен наблюдател би видял как спускането на космонавта се забавя, докато приближава хоризонта на събитията, като че ли никога не го достига. Въпреки това в собствената си отправна система космонавтът ще пресече хоризонта на събитията и ще достигне сингулярността в краен период от време. След пресичането на хоризонта, той вече няма да може да бъде наблюдаван от външната вселена.