Les trous noirs se forment lorsque des étoiles massives s'effondrent à la fin de leur vie. La gravité l'emporte sur toutes les autres forces — le noyau se comprime si intensément qu'il forme une singularité : un point où la densité et la courbure de l'espace deviennent infinies et où les lois connues de la physique cessent de s'appliquer.
Autour de la singularité s'étend l'horizon des événements — non pas une surface physique, mais une limite géométrique. Quiconque la franchit quitte pour toujours le monde observable. La vitesse de libération y dépasse la vitesse de la lumière, et comme rien ne peut voyager plus vite que la lumière, il n'existe aucun retour possible — ni pour la matière, ni pour l'information, ni même pour la lumière elle-même.
Dans la gravité extrême proche de l'horizon, le temps s'écoule mesurablement plus lentement. Un observateur s'approchant du trou noir verrait le monde extérieur s'enfoncer dans des millions d'années tandis qu'il vieillirait à peine lui-même. Les trous noirs en rotation entraînent l'espace-temps avec eux comme un tourbillon : dans l'ergosphère, aucun objet ne peut rester immobile — même la lumière est entraînée dans la rotation.
Les trous noirs eux-mêmes sont invisibles — mais leurs effets les rendent détectables. Le gaz environnant s'échauffe par friction jusqu'à des millions de degrés et rayonne sous forme de disque d'accrétion. Leur champ gravitationnel courbe la lumière des étoiles lointaines, les faisant apparaître à des positions où elles ne se trouvent pas. La première image directe d'un trou noir a été obtenue par l'Event Horizon Telescope en 2019.