黑洞（英文：Black Hole）是现代广义相对论中，存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。
黑洞很容易让人望文生义地想象成一个大黑窟窿，其实不然。所谓黑洞，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到让任何东西，甚至连光都难逃黑洞的“手掌心”。黑洞不让其边界以内的任何事物被外界看见，这就是它被称为“黑洞”的缘故。
我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。
据猜测，黑洞的产生过程类似于中子星和白矮星的产生过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，由中心产生的能量已经不多了，这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量，所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。
质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于3倍太阳的质量，如果超过了这个值，将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。
这样，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度极大的物体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径——任何具重力的质量之临界半径，与其质量成正比，如太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米)，巨大的引力就使得连光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系，这样黑洞诞生了。
斯坦福大学天体物理学家丹·威尔金斯在观察8亿光年之外星系中心的超大质量黑洞向宇宙发射的x射线时，注意到一个有趣的模式。他观察到一系列明亮的x射线耀斑。这一前所未有的发现，令人兴奋不已。他用望远镜记录了一些意想不到的事情，更多的x射线闪光，比明亮的耀斑更小，而且“颜色”不同。 根据理论，这些发光的回声与黑洞背后反射的x射线是一致的。然而，基于我们对黑洞的了解，这些光应该来自一个奇怪的地方。 威尔金斯表示，“任何进入黑洞的光都不会反射出来，所以我们不应该看到黑洞后面的任何东西，然而，这是黑洞的另一个奇怪的特征，使这种观测成为可能”。威尔金斯解释说:“我们之所以能看到这种现象，是因为黑洞正在扭曲空间，弯曲光线，扭曲自身周围的磁场。” 7月28日发表在《自然》杂志上的一篇论文详细介绍了这一奇怪的发现，它是第一次直接观测到黑洞背后的光。爱因斯坦的广义相对论曾预测过这种情况，但直到现在才得到证实。 50年前，当天体物理学家开始推测磁场在接近黑洞时的行为时，他们不知道有一天我们可能会有直接观察这一现象的技术，并看到爱因斯坦广义相对论的实际作用。 如何看到黑洞 这项研究的最初动机是为了更多地了解某些黑洞的神秘特征，即日冕。坠入超大质量黑洞的物质为宇宙中最亮的连续光源提供了能量，并在黑洞周围形成了日冕。这种光可以被分析来描绘黑洞。 关于什么是日冕的主要理论始于气体滑入黑洞，并过热至数百万度。在这个温度下，电子从原子中分离出来，形成磁化的等离子体。在黑洞的强力旋转中，磁场在黑洞上方形成了很高的弧线，并围绕自身剧烈旋转，最终完全断裂，这种情况让人想起太阳周围发生的事情，因此它借用了“日冕”的名字。 威尔金斯说:“这个磁场绑在一起，然后突然靠近黑洞，加热它周围的一切，并产生这些高能电子，这些电子接着产生x射线。”当威尔金斯仔细观察耀斑的起源时，他看到了一系列较小的闪光。研究人员确定，这些都是同样的x射线耀斑，但从圆盘的背面反射回来，这是对黑洞远端的首次一瞥。 威尔金斯还说:“几年来，我一直在从理论上预测这些回声对我们的影响。我已经在我的理论中看到了它们，所以一旦我在望远镜观测中看到它们，我就能找出它们之间的联系。” 未来的观测 描述和理解日冕的任务仍在继续，需要更多的观察。未来的一部分将是欧洲航天局的x射线天文台，雅典娜(高能天体物理学高级望远镜)。斯坦福大学物理学教授史蒂夫·艾伦和天体物理学教授威尔金斯正在帮助雅典娜研制部分宽场成像仪探测器。 威尔金斯说:“它比我们以前用x射线望远镜更加清晰，它将让我们在更短的观测时间内获得更高的分辨率。所以，有了这些新的天文台，我们现在从数据中得到的图像将变得更加清晰。”2021年6月29日，位于美国、意大利和日本三个引力波观测台的联合科学团队在《天体物理学杂志快报》发表了一项合作研究成果，天文学家和物理学家组成的合作团队首次通过引力波的观测手段发现了两例黑洞和中子星的碰撞与合并事件——GW200105和GW200115。6年前的2015年9月，科学团队通过双黑洞的合并事件——GW150941首次发现了爱因斯坦在一百年前预言的引力波；2017年8月，通过双中子星的合并事件——GW170917再次发现了引力波；6年后的2021年6月，科学团队通过黑洞和中子星的合并事件已多次发现了引力波。“引力波物理学”和“引力波天文学”符合科学哲学等效关系的互补原理或互补关系的等效原理，既可以通过不同类型的大质量天体合并事件发现引力波信号，也可以通过引力波信号发现不同类型的大质量天体。2020年1月5日，LIGO引力波双观测台的一个处于维修状态，另一个探测到了引力波事件GW200105，LIGO科学团队经过模型分析确认，一个相当于89倍太阳质量的黑洞和一个相当于19倍太阳质量的中子星在距离地球9亿光年外的空域发生了合并。2020年1月15日，LIGO双探测器和Virgo单探测器同时发现了引力波事件GW200115，联合科学团队经过模型分析确认，一个相当于57倍太阳质量的黑洞和一个相当于15倍太阳质量的中子星在距离地球10亿光年外的空域发生了合并。天文望远镜没有在两起引力波事件的引力源处发现对应的电磁信号，科学团队的成员解释说，黑洞的质量通常比中子星大很多，黑洞在一次性吞噬中子星的过程没有留下电磁信号的任何痕迹。在引力波天文台发现了引力波信号之后，多波段电磁观测的望远镜没有在相应的引力波源处发现任何电磁信号。国际合作团队计划从2022年启动第四轮引力波探测，预计将会发现更多的引力波事件。
双中子星系占到了天文学家已探明的中子星数量的10%，双中子星在相互高速绕转中释放了引力辐射，在消耗角动量旋转动能的过程中逐渐地彼此靠近，在经过漫长时间释放引力波的过程中最终发生惊天动地的合并事件。天体物理学家最早通过观测双中子星相互靠近的旋转轨迹间接地发现了引力辐射的载体——引力波的存在，通过双中子星的合并事件间接和直接地发现了理论预言的引力波，直接和间接的两种发现方式符合科学哲学价值论的等效原理，天体物理学家迄今由于对引力波的一次间接发现和一次直接发现而获得了两次诺贝尔物理学奖。
双中子星的合并事件与双黑洞合并事件、一个黑洞和一个中子星的合并事件有所不同，三种类型的大质量天体合并事件都发出了引力力，双中子星的合并事件额外发出了电磁波，中子星的相互碰撞产生了强烈的X射线和伽玛射线辐射，合成了包括金和铀在内的原子序数超过铁以上的重金属元素。2017年10月，LIGO和 Virgo引力波天文台、欧洲南方天文台和南京紫金山天文台等70多家天文台联合发布了重大成果：他们从13亿光年外的一次双中子星合并事件中发现了引力波和光学对应体的电磁波，其中的费米太空望远镜观测了波源的伽玛射线，钱德拉太空望远镜观测了X射线，欧洲南方台的甚大望远镜和哈勃太空望远镜以光学和红外线波段进行了观测，阿塔卡玛射电望远镜在毫米和亚毫米波段进行了观测。中国的首颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜和中国南极昆仑站南极巡天望远镜AST3—2分别检测到了引力波源对应的电磁波信号。
通过黑洞的合并和黑洞呑没大质量天体的事件发现了引力波信号，通过引力波信号发现黑洞的合并和黑洞呑没大质量天体的事件，两种发现过程符合科学哲学双向论的等效原理。从2015年第一次发现引力波、三位引力波团队的创始人由此获得了2017年物理诺奖以来，LIGO和Virgo的合作团队到目前为止已发现了10多个黑洞。第一位预言引力波的爱因斯坦没有见证引力波的发现，无缘再获物理学诺贝尔奖，第一位预言黑洞的卡尔-史瓦西没有见证黑洞的发现，铁定无缘获得诺贝尔物理学奖。德国天文学家史瓦西是一位求解爱因斯坦场方程的数学奇才，1913年当选德国科学院院士，1914年走上第一次世界大战的前线，炮兵上尉史瓦西在俄国的战场前线一边计算d道，一边求解爱因斯坦在1915年发表的引力场方程。
爰氏曾认为有16个变量的方程组无解或无精确的解，而史瓦西在炮火连天的战壕求出了场方程的精确解，他预言了“黑洞”的奇点和任何物体变成黑洞时的临界半径或“史瓦西半径”，他在严寒的前线患上了伤口感染，送回家中不到两个月死去。人们现在广为谈论的黑洞、奇点和视界并不是英国科学家彭罗斯和霍金首先提出的。2020年10月，89岁高龄的彭罗斯在霍金去世后单独获得了当年的物理诺奖，以表彰他发现了黑洞的形成是广义相对论预言的结果，在黑洞物理学领域作出贡献的德国天体物理学家根策尔和美国天文学家盖玆同时获奖。科学人物彭罗斯比霍金年长11岁，两个开展了伟大友谊的长期合作，彭罗斯在数学和物理学、人工智能、科学哲学等领域都有深入的研究。彭罗斯的获奖、霍金的天体物理学成就都离不开爱因斯坦和史瓦西的理论贡献和科学预言。
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