כדאי להתחיל מזה שאף אחד אף פעם לא צפה בחור שחור. דבר זה בלתי אפשרי מעצם הגדרתו של חור שחור- הוא לא נותן לאור לצאת ממנו, ואל זה עוד נחזור בהמשך. אז למה המדענים החליטו על קיומם של חורים שחורים? בהתחלה חשבו שהאור נע במהירות אינסופית. בהנחה זו כמובן שכח הכבידה לא יכול להשפיע על תנועת האור. אמנם בשנת 1676 גילה האסטרונום אולה רמר כי מרווחי הזמן בין היעלמויותיהם של כוכבי צדק מאחורי צדק אינם שווים. עם מהירות קבועה של הירחים היינו מצפים שמשך הזמן שנראה את הירחים במהלך סיבוב יהיה שווה מסיבוב לסיבוב. רמר גם גילה חוקיות בהפרשי הזמן- ככל שהמרחק מצדק לכדור הארץ גדל (כתוצאה משינוי מיקום במסילותיהם סביב השמש), כך משך היקף הירח גדול יותר. דבר זה הביא אותו לטענה שלאור יש מהירות קבועה. אם כן לא לוקח לירחים יותר זמן להקיף את צדק, אבל לוקח לאור שלהם יותר זמן להגיע אלינו. לפי הפרשי הזמנים העריך רמר את מהירות האור ב-224000 ק"מ בשניה, קרוב למה שידוע לנו כיום- 300000 ק"מ בשניה. כתוצאה מגילוי זה הדעה כלפי השפעתה של כח הכבידה על האור השתנה בתכלית. אם האור נע במהירות סופית, כל גוף עם מסה מספיק גדולה ומספיק צפופה יכול למשוך אותו אליו. השמש שלנו למשל, גורמת לסטיית קרני אור שיוצאים מכוכבים ועוברים לידה. כך נוכל לראות כוכב כאילו הוא נמצא בזוית ישרה אלינו, למרות שהוא נמצא מאחורי השמש. אמנם מחמת עוצמת אור השמש עצמה קשה להבחין בתופעה, אבל עוד ב-1919 צפתה משלחת בריטת בתופעה בזמן ליקוי חמה.  ב-1783 כתב ג'ון מישל מאמר, בו ציין כי אם תהיה לכוכב צפיפות ומסה מספיקים, הוא יוכל למשוך אליו את האור כליל. לפי תורת היחסות שגילה איינשטיין ב-1905, מהירות האור היא המהירות המירבית ביקום, ואם כן, אם האור לא יוכל להימלט, שום דבר ביקום לא יוכל להימלט. רק ב-1969 נתן ג'ון וילר לתופעה זו את שמה- חור שחור. 

כדי להבין את היווצרותה של מסה כזו ביקום צריך להבין את גורלם של כוכבים. כוכב נוצר כאשר בהצטברות גדולה של גזים (בעיקר מימן) הגזים מושכים אחד את השני בכח המשיכה ומתחילים להתלכד. ככל שהצפיפות עולה, כך אטומי המימן מתנגשים זה בזה במהירות רבה יותר, ומתחממים יותר ויותר. כשהטמפרטורה מגיעה לרמה מספקת, אטומי המימן שיתנגשו זה בזה לא ינותזו בחזרה, אלא יותכו יחד לאטום הליום אחד. התכה זו משחררת אנרגיה של פצצת מימן שדוחפת את הכוכב כלפי חוץ, כך שלבסוף כח המשיכה המושך מתאזן עם כח ההתפוצצויות הדוחף, והכוכב מפסיק לקרוס לתוך עצמו. כל זה עובד כל זמן שנשאר בכוכב מימן. אך לאחר שהמימן יגמר לא יהיה עוד כח שימנע מהכוכב לקרוס לתוך עצמו. אז מה יקרה כשהוא יקרוס? ב-1925 גילה וולפגנג פאולי את עיקרון האיסור, לפיו שני חלקיקי חומר לא יוכלו להיות בעלי אותה מהירות בו זמנית, וככל שהם קרובים יותר, כך הפרשי המהירויות גדולים יותר. לפי זה מצא צ'נדראסקאר ב1928 כי כשהמסה תגיע לצפיפות מספיקה, הפרשי המהירויות בין האלקטרונים יגרמו להם להתרחק זה מזה, ובכך הם יהוו כח נגד למשיכת הכבידה. מה שיווצר אם כן הוא כוכב קטן בעל מסה עצומה. כוכב שהיה בגודל השמש יהיה בהיקף של כמה אלפי ק"מ, עם צפיפות מסה של כמה עשרות טונות לסמ"ק. התופעה נקראת כיום ננס לבן. אמנם כשהמסה גדולה יותר, הפרשי המהירויות של החלקיקים לא מספיקים כדי לייצב את כח הכבידה, שכן ההפרשים גבוליים- אי אפשר לעבור את מהירות האור. אם כן כשהמסה מספיק גדולה הכוכב ימשיך לקרוס, אמנם עדיין יחזיק, במצב דחוס עוד יותר, על ידי הפרשי המהירויות בין הנייטררונים והפרוטונים. לכוכבים אלה מחוג בן 15 ק"מ בלבד, עם צפיפות של עשרות מיליוני טונות בסמ"ק. תופעה זו נקראת כוכב נייטרונים.  אמנם גם להפרשי המהירויות של הפרוטונים והנייטרונים יש את גבול מהירות האור, ולכן כשהמסה מספיק גדולה- פי 1.5 ממסת השמש- שום דבר לא יוכל להחזיק את הכוכב מפני קריסה עצמית מלאה. מה שיקרה אז הוא נקודה במרחב בעלת מסה עצומה וצפיפות אינסופית. נקודה זו תמשוך אליה כל מה שיתקרב מספיק לתחום הכבידה שלה. אפילו אור. מרחב הגבול שממנו לא ימלט ולו אור הוא מה שקרא לו קרא ג'ון וילר חור שחור. החוקרים משערים כי יש עוד אפשרות להיווצרותו של חור שחור, גם בעל מסה קטנה יותר. אם נשער כי המסה בתחילת התפשטותו של היקום לא היתה אחידה, (וקל לשער זאת לאור העובדה שכיום יש כוכבים וגלקסיות ולא דייסה של חומר אחיד), אפשר לצפות שעוצמתה של ההתפשטות דחסה חומרים דחוסים יותר עד למצב של חור שחור.  למרות שכאמור אי אפשר לצפות בחור שחור, חוקרים מסבירים תופעות מסויימות על ידי קיומם של חורים שחורים באזור. יש זוגות כוכבים שמרותקים זה לזה בכח הכבידה, ומסתובבים אחד מסביב לשני. נצפו גם כוכבים שמתנהגים כאילו יש להם זוג כזה, אך בן הזוג היה בלתי נראה. משערים כי בן זוגם הוא למעשה חור שחור, שנמצא במרחק מספיק כדי לא לבלוע אותו כליל, אך עדיין מושך משפיע עליו עם כבידתו. חלק מכוכבים אלו , כמו ברבורX-1, גם מוציאים קרני רנטגן רבים. ההסבר לזה הוא שחומר נקרע מהכוכב והועף לחור השחור במהירות רבה כל כך עד שהוא נהיה לוהט מספיק כדי להפיק קרני רנטגן. אז מאיפה מגיע הרעיון שדרך החור השחור ניתן לטייל בזמן? תורת היחסות הפרטית של איינשטיין (1905) אומרת שאין זמן מוחלט. לכל עצם יש קצב זמן משלו. הזמן הוא למעשה מכפלת המהירות במרחב. בתורת היחסות הכללית (1915) אינשטיין הוסיף כי המרחב לא מתפרס בצורה שווה ביקום. ככל שהמסה צפופה יותר כך המרחב צפוף יותר, וכך הזמן איטי יותר. כיום לוקחים ממצא זה בחשבון כשעובדים עם לווינים- הזמן אצל הלווין הולך מהר יותר מהזמן בכדור הארץ בצורה מורגשת. בחור השחור צפיפות המסה היא אינסופית כאמור, אם כן הזמן בקרבתה נעצר לגמרי. כלומר כל מה שיכנס לתוכו בכל זמן שהוא יכנס באותה נקודת זמן, וכל מה שיצא מתוכו בכל נקודת זמן (וישנה רק אחת כזאת בחור השחור) יצא בכל זמן שהוא ביקום. הבעיה היחידה היא שכאמור שום דבר לעולם לא יצא מהחור השחור.