I buchi neri rappresentano lo stadio finale dell'evoluzione di alcune stelle.

Quando il carburante di una stella si esaurisce, l'aumento di pressione associato al calore prodotto dalle reazioni nucleari non è sufficiente per contrastare il processo di contrazione della stella.

In queste condizioni, a secondo dei valori della densità, può avvenire la formazione di una nana bianca oppure di una stella di neutroni.

Se la massa del nucleo supera di 1,7 volte la massa del Sole, nessuna pressione è sufficiente ad arrestare il collasso e si genera un buco nero.

Gli astronomi hanno scoperto emissioni di raggi X da Cygnus X-1, una stella doppia nella quale la componente primaria è una stella normale avente massa pari a circa 30 masse solari.

Lo spostamento delle linee dello spettro di emissione, dovuto all'effetto Doppler, lascia supporre l'esistenza di un compagno, di 10 o 15 masse solari, in orbita intorno a essa.

Un'emissione simile a quella che si osserva per Cygnus X-1 è generalmente prodotta da un "disco di accrescimento", cioè da un disco denso e caldo che si forma quando il gas di una stella cade su un oggetto compatto descrivendo un percorso a spirale.

A causa dell'elevato valore della massa, il compagno in Cygnus X-1 potrebbe essere un buco nero anziché una nana bianca o una stella di neutroni.

Altri possibili buchi neri osservati sono due sorgenti di raggi X situate nella vicina galassia della Grande Nube di Magellano e nella costellazione dell'Unicorno.

Gli astrofisici suppongono inotreche alcuni buchi neri siano posti al centro di galassie di massa elevata.

Inoltre, l'alta accelerazione dei gas in questa regione indica la presenza di un oggetto, o di un gruppo di oggetti, avente complessivamente massa pari a circa 2,5-3,5 miliardi di masse solari.

Il fisico britannico Stephen Hawking ha suggerito che molti buchi neri possano essersi formati nell'universo primordiale.

Se ciò fosse vero, la maggior parte di essi potrebbe essere troppo distante da altra materia per formare un disco di accrescimento rilevabile, ma potrebbe tuttavia costituire una frazione significativa della massa totale dell'universo.

Per evitare il concetto matematico di singolarità, Hawking ha inoltre proposto che i buchi neri non collassino in questo modo ma piuttosto formino dei wormholes (letteralmente "buchi di vermi") che collegano il nostro con altri universi.

Un buco nero di massa sufficientemente piccola può catturare un membro di una coppia elettrone-positrone che si trova in prossimità dell'orizzonte; contemporaneamente l'altro membro può sfuggire dando luogo a una radiazione particolarmente energetica che provoca l'evaporazione del buco nero.