黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體，黑洞無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。有理論生稱黑洞並不存在，取而代之的是「灰洞」理論。
黑洞是一種較為特殊的天體，它的中心是一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點。由於高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去，連光也無法逃離黑洞的引力。
黑洞之所以黑，是因為黑洞周圍有著嚴重的時空扭曲現象，光線和任何物質都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者。黑洞的邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。
1916年，德國天文學家卡爾‧史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，這種「不可思議的天體」隨即被命名為「黑洞」。
黑洞基於是愛因斯坦廣義相對論中理論的一種天體。廣義相對論是描寫物質間引力相互作用的理論，廣義相對論首次把引力場解釋成時空的彎曲，正是基於時空曲率的發現，黑洞理論才得以發現。
由於黑洞無法直接觀測，因此想要研究黑洞必須要藉助量子理論。通過量子理論，現代科學家發現黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時消耗黑洞的能量和質量，通過捕捉這些能量，就能夠觀測到黑洞。
在現代對黑洞研究貢獻最深的是史蒂芬‧霍金，霍金主要研究領域是宇宙論和黑洞，證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型，在統一20世紀物理學的兩大基礎理論相對論和量子理論方面走出了重要一步。
基於黑洞理論，宇宙時空自身是不平坦的，視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合，然後在那裡產生一個洞，這個洞就是蟲洞。蟲洞可能是連接黑洞和白洞的時空隧道，所以也被稱為灰道。目前天文學家已經間接地找到了黑洞，但白洞、蟲洞並未真正發現，還只是經常出現在科幻作品中的理論名詞。
