Pokud raketa překročí "únikovou rychlost" 11 kilometů za vteřinu, vymaní se ze zemské gravitace a odletí do volného vesmíru. Úniková rychlost závisí na gravitační hmotonosti. K úniku ze Slunce je třeba rychlosti 620 km/s, neutronová hvězda by vyžadovala 200 000 km/s.

V roce 1783 si anglický astronom John Michell uvědomil že pokud by hvězda byla dostatečně těžká, byla by odpovídající úniková rychlost vyžší než 300 000 km/s, tedy než rychlost světla. Světlo by nemohlo uniknout a hvězda by tudíž byla neviditelná.

John Michell považoval světlo podle Newtonovy teorie za proud částic a představoval si, že gravitace bude stahovat světlo hvězdy spátky. Npsal o tom že: "všechno světlo vyzářené takovým tělesem přinutí jeho vlastní gravitační síla k návratu".

Michellovy představy však nebyly v pořádku protože rychlost světla se vlivem gravitace nemění, ale jeho základní závěr byl správný. V Einšteinově obecné teorii relativity světlo věrně sleduje zakřivení prostoru v okolí hmotných těles. Kolabující hvězda s hmotností několikrát vyšší než hmotnost Slunce vytvoří tzv. "studnu", z níž se světlu stále hůře uniká. Nakonec se světlo ocitne zcela v pasti a hvězda se stává "černou dírou".

Na možnost takového gravitačního kolapsu poukázal jako první v roce 1939 Robert Oppenheimer. Domníval se však, že je to jen kuriozita v řešení relativistických rovnic a nemá žádný vstah k realitě. Opustil tuto problematiku a nadále pracoval jako jeden z vedoucích projektu vývoje americké atomové bomby. S výjimkou malé hrstky nadšenců fyzikové na černé díry téměř zapoměli až do počátku 60. let, kdy nová pozorování odhalila daleko ve vesmíru mohutné gravitační zdroje, pro které se těžko hledalo vysvětlení.

S pojmem "černá díra" přišel v roce 1969 americký teoretický fyzik John Wheeler. Wheeler se jednou vyjádřil že "černá díra nemá vlasy", tedy že z černé díry nemůže za žádných okolností nic vylétnout.

V téže době dokázali Roger Penrose a Stephen Hawking z univerzity v Oxfordu, že černá díra obsahuje relativistickou singularitu, "bod nula", kde vznikají nekonečné hustoty.

Černá díra není vydět. Skrývá se uvnitř tzv. "horizontu událostí", sféry, která ji obklopuje a kde je prostor tak zakřiven, že ani světlo nemůže uniknout. Všechno co do sebe černá díra vtáhla, zůstává pohřbeno uvnitř. Horizont také brání vnějšímu pohledu na fyzikální singularitu, ketou má díra ve svém středu.

Hodiny, které by padaly do černé díry, by pro vnějšího pozorovatele šli stále pomaleji, postupně by byly stále červenější a hůř viditelné, až by zcela zmizely. Protáhlé objekty by gravitační síly v blízkosti černé díry roztrhaly na kusy, protože síla na straně bližší k díře by byla mnohonásobně větší než síla na straně vzdálenější.

Hvězdy větší než desetinásobek hmotnosti Slunce čeká osud černé díry. Samotná černá díra je syce neviditelná, ale může nastat případ kdy se ocitne v blízkosti jiné hvězdy a rotuje s ní v tzv. "spirále smrti". Bylo pozorováno několik kandidátů na černou díru, jedním z nejvážnějších je Cygnus X-1, vzdálená 6 500 světelných let. Astrofyzikové si představují že vysává hmotu z hvězdy s níž tvoří dvojhvězdu, a tím vytváří mohutný zdroj rentgenového záření. Černé díry jsou možná i v centru většiny galaxií a vytvářejí společný hrob pro mnoho hvězd starších generací.