演化過程
黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點和周圍一部分空空如也的天區，這個天區範圍之内不可見。依據愛因斯坦的相對論，當一顆垂死恒星崩潰，它将聚集成一點，這裡将成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。
黑洞的産生過程類似于中子星的産生過程：某一個恒星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了内部的空間和時間。
但在黑洞情況下，由于恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去，連中子間的排斥力也無法阻擋。中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高質量而産生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。
也可以簡單理解為：通常恒星最初隻含氫元素，恒星内部的氫原子核時刻相互碰撞，發生聚變。由于恒星質量很大，聚變産生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結構的穩定。由于氫原子核的聚變産生新的元素——氦元素，接着，氦原子也參與聚變，改變結構，生成锂元素。
如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩定，參與聚變時釋放的能量小于所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在于恒星内部，導緻恒星内部不具有足夠的能量與質量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發恒星坍塌，最終形成黑洞。
說它“黑”，是因為它産生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質量大于太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。
當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料，由中心産生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質将不可阻擋地向着中心點進軍，直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），質量導緻的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。
1、吸積
黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體産生輻射而被發現的，這一過程被稱為吸積。
高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時，它們産生的輻射對黑洞的自轉以是中央延展物質系統的流動。
吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。
在宇宙早期，當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂，進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外，還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。
2、蒸發
由于黑洞的密度極大，根據公式我們可以知道密度=質量/體積，為了讓黑洞密度無限大，而黑洞的質量不變，那就說明黑洞的體積要無限小，這樣才能成為黑洞。
黑洞是由一些恒星“滅亡”後所形成的死星，它的質量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應”的現象，即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方，場強仍會有分布，對于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。
霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發也微弱；小黑洞的溫度高蒸發也強烈，類似劇烈的爆發。相當于一個太陽質量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發殆盡；相當于一顆小行星質量的黑洞會在1x10-21秒内蒸發得幹幹淨淨。
3、毀滅
黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸，會噴射物體，發出耀眼的光芒。當英國物理學家斯蒂芬·威廉·霍金于1974年做此預言時，整個科學界為之震動。
霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結合了廣義相對論和量子理論，他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。
假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生，被創生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生：兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。
“一個粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由于能量不能憑空創生，我們設反粒子攜帶負能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶着從黑洞裡來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的質能方程E=mc2表明，能量的損失會導緻質量的損失。
當黑洞的質量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當黑洞損失質量時，它的溫度和發射率增加，因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計，因為大黑洞輻射的比較慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。
表現形式
據英國媒體報道，一項新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉變為白洞的方式進行的。理論上來說，白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質，而白洞則不斷向外噴射物質。這一發現最早是由英國某雜志網站報道的，其理論依據是晦澀的量子引力理論。
恒星的時空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食時觀察遠處恒星發出的光線，可以看到這種偏折現象。
當該恒星向内坍塌時，其質量導緻的時空扭曲變得很強，光線向内偏折得也更強，從而使得光子從恒星逃逸變得更為困難。對于在遠處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最後，當這恒星收縮到某一臨界半徑（史瓦西半徑）時，其質量導緻時空扭曲變得如此之強，使得光向内偏折得也如此之強，以至于光也逃逸不出去。
這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或時空區域，光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者，這樣的區域稱作黑洞。将其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌迹相重合。
與别的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，科學家也隻能對它内部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隐藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。
在地球上，由于引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋着的恒星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隐身術。
更有趣的是，有些恒星不僅是朝着地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的“側面”、甚至“後背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應。
分類特點
根據黑洞本身的物理特性質量，角動量，電荷劃分，可以将黑洞分為五類。
不旋轉不帶電荷的黑洞：它的時空結構于1916年由史瓦西求出，稱史瓦西黑洞。
不旋轉帶電黑洞：稱R-N黑洞。時空結構于1916至1918年由賴斯納（Reissner）和納自敦（Nordstrom）求出。
旋轉不帶電黑洞：稱克爾黑洞。時空結構由克爾于1963年求出。
一般黑洞：稱克爾-紐曼黑洞。時空結構于1965年由紐曼求出。
雙星黑洞：與其他黑洞彼此之間相互繞轉的黑洞。
特征
一個由美國、英國、意大利和奧地利科學家組成的國際研究團隊，根據先前的研究和通過超級計算機的模拟，發現黑洞、引力波和暗物質均具有分形幾何特征。
黑洞是宇宙空間内存在的一種密度無限大、體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會失效；它是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而“死亡”後，發生引力坍縮産生的。當黑洞“打嗝”時，就意味着有某個天體被黑洞“吞噬”，黑洞依靠吞噬落入其中物質“成長”；當黑洞“進食”大量物質時，就會有高速等離子噴流從黑洞邊緣逃逸而出。科學家利用流體動力學和引力相關理論并通過超級計算機進行模拟後得出結論——“進食”正在成長過程中的黑洞，将會使其形成分形表面。
“黑洞”一詞命名者、美國著名物理學家約翰·惠勒教授曾經說過：今後誰不熟悉分形幾何，誰就不能被稱為科學上的文化人。中國著名學者周海中教授曾經指出：分形幾何不僅展示了數學之美，也揭示了世界的本質，從而改變了人們理解自然奧秘的方式；可以說分形幾何是真正描述大自然的幾何學，對它的研究也極大地拓展了人類的認知疆域。可見，分形幾何有着極其重要的科學地位。
黑洞是宇宙中最神秘的自然現象。它為什麼具有分形幾何特征，其原因現在還是一個謎。
專家研究
1、等離子體
德國馬克斯普朗克核物理研究所和赫爾姆霍茨柏林中心的研究人員使用柏林同步加速器（BESSY Ⅱ）在實驗室成功産生了黑洞周邊的等離子體。通過該研究，之前隻能在太空由人造衛星執行的天文物理實驗，也可以在地面進行，諸多天文物理學難題有望得到解決。黑洞的重力很大，會吸附一切物質。進入黑洞後，任何東西都不可能從黑洞的邊界之内逃逸出來。随着被吸入的物體的溫度不斷升高，會産生核與電子分離的高溫等離子體。
黑洞吸附物質會産生X射線，X射線反過來又會刺激其中的大量化學元素發射出具有獨特線條（顔色）的X射線。分析這些線條可以幫助科學家了解更多有關黑洞附近等離子體的密度、速度和組成成分等信息。
在這個過程中，鐵起了非常關鍵的作用。盡管鐵在宇宙中的儲量并不如更輕的氫和氦豐富，但是，它能夠更好地吸收和重新發射出X射線，發射出的光子因此也比其他更輕的原子發射出的光子具有更高的能量、更短的波長（使得其具有不同的顔色）。
鐵發射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質時也會被吸收。在這個所謂的光離化過程中，鐵原子通常會經曆幾次電離，其包含的26個電子中有超過一半會被去除，最終産生帶電離子，帶電離子聚集成為等離子體，研究人員可以在實驗室中重現了這個過程。
實驗的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設計的電子束離子阱。在這個離子阱中，鐵原子經由一束強烈的電子束加熱，從而被離子化14次。實驗過程如下：一團鐵離子（僅僅幾厘米長并且像頭發絲一樣薄）在磁場和電場的作用下被懸停在一個超高真空内，同步加速器發射出的X射線的光子能量被一台精确性超高的“單色儀”挑選出來，作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。
實驗室測量到的光譜線與錢德拉X射線天文台和牛頓X射線多鏡望遠鏡所觀測的結果相匹配。也就是說，研究人員在地面實驗室人為制造出了太空中的黑洞等離子體。
這種新奇的方法将帶電離子的離子阱和同步加速器輻射源結合在一起，讓人們可以更好地了解黑洞周圍的等離子體或者活躍的星系核。研究人員希望，将EBIT分光檢查鏡和更清晰的第三代（2009年開始在德國漢堡運行的同步輻射源PETRAⅢ）、第四代（X射線自由電子激光XFEL）X射線源結合，将能夠給該研究領域帶來更多新鮮活力。
2、人造黑洞
2005年3月，美國布朗大學物理教授‘霍拉蒂·納斯塔西’在地球上制造出了第一個“人造黑洞“。
美國紐約布魯克海文實驗室1998年建造了20世紀全球最大的粒子加速器，将金離子以接近光速對撞而制造出高密度物質。雖然這個黑洞體積很小，卻具備真正黑洞的許多特點。紐約布魯克海文國家實驗室裡的相對重離子碰撞機，可以以接近光速的速度把大型原子的核子（如金原子核子）相互碰撞，産生相當于太陽表面溫度3億倍的熱能。
納斯塔西在紐約布魯克海文國家實驗室裡利用原子撞擊原理制造出來的灼熱火球，具備天體黑洞的顯著特性。比如：火球可以将周圍10倍于自身質量的粒子吸收，這比所有量子物理學所推測的火球可吸收的粒子數目還要多。
人造黑洞的設想最初由加拿大“不列颠哥倫比亞大學”的威廉·昂魯教授在20世紀80年代提出，他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似，如果使流體的速度超過聲速，那麼事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞。
然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力，除了光線外，它們無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。然而，納斯塔西教授制造的人造黑洞已經可以吸收某些其他物質。因此，這被認為是黑洞研究領域的重大突破。
2008年9月10日，随着第一束質子束流貫穿整個對撞機，歐洲大型強子對撞機正式啟動。
歐洲大型強子對撞機是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一種将質子加速對撞的高能物理設備，它位于瑞士日内瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。系統第一負責人是英國著名物理學家‘林恩·埃文斯’，大型強子對撞機最早就是由他設想出來并主導制造的，被外界稱為“埃文斯原子能”。
當比我們的太陽更大的特定恒星在生命最後階段發生爆炸時，自然界就會形成黑洞。它們将大量物質濃縮在非常小的空間内。假設在大型強子對撞機内的質子相撞産生粒子的過程中，形成了微小黑洞，每個質子擁有的能量可跟一隻飛行中的蚊子相當。
天文學上的黑洞比大型強子對撞機能産生的任何東西的質量更重。據愛因斯坦的相對論描述的重力性質，大型強子對撞機内不可能産生微小黑洞。然而一些純理論預言大型強子對撞機能産生這種粒子産品。所有這些理論都預測大型強子對撞機産生的此類粒子會立刻分解。因此它産生的黑洞将沒時間濃縮物質，産生肉眼可見的結果。
3、質量測定
中科院國家天文台研究員劉繼峰領導的國際團隊在世界上首次成功測量到X射線極亮天體的黑洞質量，在該領域獲得重大突破，将增進人們對黑洞及其周圍極端物理過程的認識。該研究成果2013年11月28日發表在國際權威雜志《自然》上。
20世紀90年代以來，天文學家陸續在遙遠星系中發現了一批X射線光度極高的天體，它們可能是人們一直尋找的中等質量黑洞，也可能是具有特殊輻射機制的幾個或幾十個太陽質量的恒星級黑洞。國際天文和天體物理界對此一直難以定論。由于這類天體距離我們十分遙遠，通常為幾千萬光年，同時X射線照射黑洞吸積盤而産生的光污染也非常強，因此測量極其困難。
劉繼峰團隊選取有特色的天體目标，成功申請到位于美國夏威夷的8米大型雙子望遠鏡以及10米凱克望遠鏡各20小時的觀測時間，在3個月的時間跨度上對漩渦星系中X射線極亮源M101ULX－1進行了研究，并确認其中心天體為一個質量與恒星可比拟的黑洞。這個黑洞加伴星形成的黑洞雙星系統位于2200萬光年之外，是人類迄今發現的距離地球最遙遠的黑洞雙星。
4、黑洞炸彈
2001年1月，英國聖安德魯大學著名理論物理科學家烏爾夫·利昂哈特宣布他和其他英國科研人員将在實驗室中制造出一個黑洞，當時沒有人對此感到驚訝。然而俄《真理報》日前披露俄羅斯科學家的預言：黑洞不僅可以在實驗室中制造出來，而且50年後，具有巨大能量的“黑洞炸彈”将使如今人類談虎色變的“原子彈”也相形見绌。
人造黑洞的設想由威廉·昂魯教授提出，他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似，如果使流體的速度超過音速，那麼事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞現象。但利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力，除了光線外，無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。
俄羅斯科學家亞力克山大·特羅菲蒙科認為，能吞噬萬物的真正宇宙黑洞也完全可以通過實驗室“制造出來”：一個原子核大小的黑洞，它的能量将超過一家核工廠。如果人類有一天真的制造出黑洞炸彈，那麼一顆黑洞炸彈爆炸後産生的能量，将相當于數顆原子彈同時爆炸，它至少可以造成10億人死亡。”
5、捕捉星雲
2011年12月，一個國際研究小組利用歐洲南方天文台的“甚大望遠鏡”，發現一個星雲正在靠近位于銀河系中央的黑洞并将被其吞噬。
這是天文學家首次觀測到黑洞“捕捉”星雲的過程。觀測顯示，這個星雲的質量約是地球的3倍，它的位置來逐漸靠近“人馬座A星”黑洞。這個黑洞的質量約是太陽的400萬倍，是距離我們最近的大型黑洞。研究人員分析認為，到2013年，這個星雲将離黑洞非常近，有可能被黑洞逐漸吞噬。
另外，黑洞并不是實實在在的星球，而是一個幾乎空空如也的天區。黑洞又是宇宙中物質密度最高的地方，地球如果變成黑洞，隻有一顆黃豆那麼大。原來，黑洞中的物質不是平均分布在這個天區的，而是集中在天區的中心。這個中心具有極強的引力，任何物體隻能在這個中心外圍遊弋。一旦不慎越過邊界，就會被強大的引力拽向中心，最終化為粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一個名副其實的太空魔王。
黑洞内部隻有三個物理量有意義：質量、電荷、角動量。
6、黑洞無毛
1973年霍金、卡特爾（B.Carter）等人嚴格證明了“黑洞無毛定理”：“無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量（質量、角動量、電荷）惟一确定”。即當黑洞形成之後，隻剩下這三個不能變為電磁輻射的守恒量，其他一切信息（“毛發”）都喪失了，黑洞幾乎沒有形成它的物質所具有的任何複雜性質，對前身物質的形狀或成分都沒有記憶。于是“黑洞”的術語發明家惠勒戲稱這特性為“黑洞無毛”。
對于物理學家來說，一個黑洞或一塊方糖都是極為複雜的物體，因為對它們的完整描述，即包括它們的原子和原子核結構在内的描述，需要有億萬個參量。與此相比，一個研究黑洞外部的物理學家就沒有這樣的問題。
黑洞是一種極其簡單的物體，如果知道了它的質量、角動量和電荷，也就知道了有關它的一切。黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶，它保持的隻是質量、角動量、電荷。消繁歸簡或許是黑洞最基本的特征。有關黑洞的大多數術語的發明家約克·惠勒，在60年前把這種特征稱為“黑洞無毛”。
最新進展
北京時間2019年4月10日21點整，比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京、美國華盛頓等全球六地将同步召開全球新聞發布會，事件視界望遠鏡（EHT）宣布一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果。該項目是由全球200多位科研人員共同達成的重大國際合作計劃，通過“甚長基線幹涉技術”和全球多個射電天文台的協作，構建一個口徑等同于地球直徑的“虛拟”望遠鏡，用于黑洞探測。專家稱，人類首張黑洞照片的問世，将對研究黑洞具有重要意義。
2021年4月14日，上海天文台公布最新觀測成果，多波段“指紋”被成功捕獲。
