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중력이 너무 커서 심지어 빛조차도 빠져나갈 수 없는 천체를 말한다. 블랙홀은 1789년 영국의 존 미첼, 프랑스의 수학자 라플라스 등이 처음으로 생각해 낸 것으로 오랫동안 이론상으로만 존재해 왔다. 그러다가 아인슈타인의 상대성이론에 의해 이론적으로 입증되었으며, 인공위성에서 찍은 X선 망원경으로 백조자리에 있는 시그너스 X-1이라는 블랙홀이 발견되면서 블랙홀의 존재가 확실해졌다.

우리가 별이나 은하를 볼 수 있는 것은 그 별(은하)에서 빛이 나오기 때문인데 블랙홀은 빛이 나오지 못하므로 결코 볼 수 없다. 따라서 육안으로 식별할 수 없기 때문에 블랙홀의 존재를 확인하는 방법은 관측이 아닌 다른 방법에 의해서 이루어진다.  블랙홀 근처에 어떤 별이 있다면 이 별에서 방출되는 기체가 블랙홀로 끌려들어가면서 X선이 방출된다. 별이 보이지 않는 우주 공간에서 X선이 방출되고 있는 것이 전파망원경으로 확인되면 블랙홀이 있는 위치를 알 수 있다. 또 블랙홀 반대편에 있는 별빛이 블랙홀 근처를 지날 때에는 그 빛이 휘어서 우리 눈에 도달하므로 블랙홀의 위치를 알 수 있다.

과학자들에 의하면 블랙홀은 다음과 같이 두가지 과정에 의해서 생성된다.

첫째, 블랙홀은 질량이 매우 큰 별의 진화 마지막 단계에서 만들어질 수 있다.

별의 진화과정에서 작은 별은 마지막에 '백색왜성'이라는 최후 진화 단계를 거치지만, 태양보다 8배 이상 무거운 별은 '적색 초거성'이 되며, 초신성 폭발을 일으켜 '중성자별'로 남는다. 폭발 과정에서 많은 먼지를 우주에 뿌리며, 여기서 다시 새로운 별이 탄생한다.

중성자별은 밀도가 물의 1천14배에 이르는데, 이 중 밀도가 무한대에 가까운 것을 '블랙홀'이라고 한다. 이러한 별들은 '특이점(singularity)'이라고 하는 부피가 0이고 밀도가 무한대인 한 점으로 압축된다. 특이점은 블랙홀의 중심을 이루고 있으며 '사건의 지평선(Event horizon)'이라는 블랙홀의 표면으로 가려져 있다. '사건의 지평선' 안에서는 탈출속도(천체의 중력장에서 벗어나기 위한 물체의 속도)가 빛의 속도보다 커서 빛조차 우주공간으로 벗어날 수 없다.

둘째, 이처럼 별의 마지막 단계에서 생긴 블랙홀 외에 '원시 블랙홀'이라는 것이 있는데, 이는 약 150억 년 전 우주가 대폭발(Big Bang)에 의해서 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐져서 블랙 홀이 무수히 생겨난 것이다.

원시 블랙홀은 물질이 자체 중력으로 붕괴해 블랙홀이 되기에는 질량이 모자라지만, 우주 탄생 초기에 우주 전체의 압력이 매우 커서 높은 밀도로 압축돼 많이 탄생한 것으로 믿어지고 있다.

블랙홀은 우주에서 가장 빠른 빛조차 빠져나가지 못할 정도로 중력이 강하고, 어두운 데다 너무 멀리 있어 그동안 직접 관측한 사례가 없었다. 이에 한국을 비롯해 미국, 유럽, 일본 등의 연구자 200여 명으로 구성된 사건지평선망원경(EHT·Event Horizon Telescope) 연구진은 2012년 블랙홀의 외부 경계면인 사건의 지평선(event horizon)과 블랙홀의 그림자를 통한 블랙홀 관측에 나섰다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 강한 중력을 가지고 있는 천체는 빛을 휘게 만든다. 블랙홀 주변에 발생한 빛과 전파는 강한 중력으로 휘어지는데, 이 빛이 우리가 볼 수 없는 블랙홀 가운데를 비추면서 블랙홀의 윤곽이 드러나게 한다. 이것을 블랙홀의 그림자라고 한다.
 
연구팀은 지구에서 빛의 속도로 5500만 년 이동해야 도착할 수 있는 거대 은하(처녀자리) 중심부에서 2017년 4월 5일부터 14일까지 블랙홀을 관측한 후 2년간의 분석을 거쳐 인류가 직접 관측한 블랙홀의 모습을 2019년 4월 10일 공개했다. 이 블랙홀은 빛이 중력에 의해 휘어져 형성된 지름 400억km의 고리 모양의 구조 안쪽에 위치하는 것으로 관측됐으며, 질량은 태양의 65억 배에 달하며 지름은 약 160억km다. 이 관측은 아인슈타인이 1915년 일반상대성 이론에서 블랙홀의 존재를 예측한 지 100여 년 만에 인류 최초로 존재를 확인했다는 데 의의를 가진다.

EHT 연구진은 6개 대륙에 위치한 8개 망원경을 연결해 지구로부터 5500만 광년 떨어진 거대 은하 M87 중심에 위치한 블랙홀을 관측했다. 연구진은 2017년 4월 5일~14일 동안 6개 대륙 8개 망원경으로 블랙홀에서 나오는 1.3mm 파장대 전파를 동시에 관측하고 분석하는 방식을 활용해 정밀도를 극대화했다. 연구진에 따르면 사실상 지구 크기의 전파망원경을 사용한 셈이며, 그 정밀도는 파리의 카페에 앉아 뉴욕의 신문을 읽을 수 있는 정도다. 각 전파망원경이 관측한 영상은 미국 매사추세츠공대와 독일 막스플랑크 전파천문학연구소의 슈퍼컴퓨터를 거쳐 영상으로 변환됐다.

[블랙홀 관측에 사용된 망원경]

한편 상대성 이론에서는 블랙홀처럼 끌어들이기만 하는 세계가 있으면, 반드시 물질이 그 내부로는 절대 들어갈 수 없는 내뿜기만 하는 세계인 '화이트홀(white hole)'이 존재한다고 한다. 그러나 화이트홀이 어떻게 형성되는가 하는 메커니즘에 대해서는 전혀 아는 바가 없다.

블랙홀의 명명자 휠러(J.A.Wheeler)는 블랙홀과 화이트홀의 사건의 지평면 내부를 잘라내고 그 나머지를 연결시키면 어떻게 되는 가를 생각했다.

이렇게 하면, 블랙홀에 흡입된 물질은 화이트홀에서 방출된다. 이때 블랙홀의 흡입구가 있는 세계와 화이트홀의 방출구가 있는 세계는 전혀 다른 세계이다. 이 두 세계를 연결하는 통로를 휠러는 '웜홀(worm hole)'이라 명명했다.