ปี ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นักดาราศาสตร์ชาวยิว ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ว่า แสงเดินทางในอวกาศด้วยความเร็วคงที่ด้วยความเร็ว 3 x 10⁸ เมตร/วินาที และไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตการณ์  ขณะที่สังคมในยุคนั้นถือว่า ความเร็ว = ระยะทาง/เวลา ไอสไตน์กล่าวว่า ความเร็วแสงคงที่ แต่เวลาและระยะทางยืดหดได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกตการณ์ ถ้าผู้สังเกตการณ์เดินทางเข้าใกล้ความเร็วแสง ระยะทางจะหดสั้น กาลเวลาจะช้าลง ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 เมื่อผู้สังเกตการณ์เคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสง เวลาจะช้าลง

        แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ ฟังดูไม่น่าเชื่อ แต่ทฤษฎีนี้ก็ถูกพิสูจน์แล้วว่า เวลาในยานอวกาศเดินช้ากว่าเวลาบนโลก อนุภาคในอวกาศมีอายุขัยยาวนานกว่าอนุภาคบนโลก   ปี ค.ศ.1917​ ไอน์สไตน์ นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ว่า อวกาศประกอบด้วย 4 มิติ คือ อวกาศและกาลเวลา (Space-time) มวลทำให้อวกาศโค้ง ดาวที่มีมวลมากจะฉุดรั้งให้อวกาศโค้งและกาลเวลายืดออกไป ในลักษณะคล้ายภาพที่ 2

ภาพที่ 2 อวกาศโค้ง

        ไอน์สไตน์อธิบายว่า ดาวเคราะห์ทั้งหลายโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นเพราะว่าอวกาศรอบๆ ดวงอาทิตย์โค้ง นักดาราศาสตร์ในยุคก่อนนั้นแปลกใจว่า อะไรเป็นสาเหตุให้วงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์แกว่ง ดังที่แสดงในภาพที่ 3 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นตั้งข้อสันนิษฐานว่า มีดาวเคราะห์ที่มีนามสมมติว่า "วัลแคน" (Valcan) โคจรรอบดวงอาทิตย์ใกล้กว่าดาวพุธ เรามองไม่เห็นวัลแคนเพราะแสงสว่างจากดวงอาทิตย์รบกวน แต่แรงโน้มถ่วงของวัลแคนรบกวนเส้นทางโคจรของวัลแคน ไอน์สไตน์แก้ข้อสมมติฐานนี้โดยเสนอว่า ดาวเคราะห์วัลแคนไม่มีอยู่จริง เราสังเกตเห็นว่า วงโคจรของดาวพุธแกว่งเป็นเพราะว่า ดาวพุธเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เป็นวงโคจรรูปรี ซึ่งทาบอยู่บนอวกาศโค้ง  หากใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแทนค่าในสมการวงโคจรของดาวพุธ ก็จะทราบตำแหน่งที่แท้จริงของดาวพุธ  

ภาพที่ 3 วงโคจรของดาวพุธ

 
       ไอน์สไตน์อธิบายว่า สภาพภูมิศาสตร์ของอวกาศไม่ใช่ราบเรียบเป็นเส้นตรง หรือเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ หากแต่คดโค้งไม่สม่ำเสมอ ขึ้นอยู่กับมวลในแต่ละตำแหน่งของจักรวาล ซึ่งจะฉุดให้กาลเวลายืดหดไปด้วย แสงเดินทางเป็นเส้นตรงเมื่ออวกาศเป็นแผ่นระนาบ  แต่ถ้าอวกาศโค้ง แสงก็จะเดินทางเป็นเส้นโค้งด้วย ดาวฤกษ์ที่มีมวลเท่าดวงอาทิตย์ทำให้อวกาศโค้งเพียงเล็กน้อย (ภาพที่ 4 ก) แต่ดาวนิวตรอนทำให้อวกาศโค้งมาก แสงที่เดินทางออกจากดาวนิวตรอนจึงเป็นเดินทางเป็นเส้นโค้ง (ภาพที่ 4 ข และ ค) และแสงที่เดินทางออกจากหลุมดำ  จะตกกลับลงมาที่เดิม ไม่สามารถหลุดพ้นออกไปได้ (ภาพที่ 4 ง)

ภาพที่ 4 มวลของดาวทำให้แสงเดินทางเป็นเส้นโค้ง

        เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลตั้งต้นมากกว่า 18 เท่าของมวลดวงอาทิตย์หมดสิ้นอายุขัย แก่นของมันจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วและฉุดให้อวกาศโค้งไปด้วย ดังภาพที่ 5  กาลเวลาจะช้าลง นักวิทยาศาสตร์เรียกภาวะเช่นนี้ว่า "หลุมดำ"  เพราะว่าหลุมดำไม่แผ่รังสีใดๆ ออกมา

ภาพที่ 5 ความโค้งของอวกาศรอบหลุมดำ

        แม้ว่าหลุมดำจะไม่สามารถแผ่รังสีใดๆ ออกมา แต่นักดาราศาสตร์ทราบตำแหน่งของหลุมดำ ได้จากการสังเกตการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของจานแก๊สรวมมวลรอบๆ หลุมดำ ยกตัวอย่างเช่น ระบบดาวคู่ Cygnus X-1 ในกลุ่มดาวหงส์ ดาวดวงหนึ่งในระบบดาวคู่ยุบตัวลงเป็นหลุมดำ แล้วดึงดูดแก๊สจากดาวคู่เข้ามาหมุนวนเป็นจานรวมมวล แล้วหล่นเข้าไปในหลุมดำ  แก๊สในจานรวมมวลอัดแน่นกันจนเกิดอุณหภูมิสุงและแผ่รังสีเอ็กซ์และคลื่นวิทยุบางความถี่ออกมา  ดังภาพที่ 6  นักดาราศาสตร์จึงทราบว่า บริเวณนั้นมีหลุมดำอยู่  

ภาพที่ 6 การแผ่รังสีเอ็กซ์ของระบบดาวคู่

        ยิ่งเราเข้าใกล้หลุมดำ ความโค้งของอวกาศจะทำให้เราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้แสง และกาลเวลาจะช้าลง (ทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพพิเศษของไอน์สไตน์) ขอบของหลุมดำเรียกว่า “เส้นขอบเหตุการณ์” (Event Horizon) ดังภาพที่ 7  ถัดจากเส้นขอบเหตุการณ์เข้าไปยังจุดศูนย์กลาง (Singularity) กาลเวลาจะหยุดนิ่ง  การเดินทางออกจากหลุมดำ จำเป็นต้องใช้ความเร็วหลุดพ้นซึ่งมีค่ามากกว่าความเร็วแสง ซึ่งนั่นหมายความว่า ไม่มีสิ่งใดหลุดพ้นออกมาจากหลุมดำได้ เพราะไม่มีอะไรเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ อธิบายว่า สสารและพลังงานคือสิ่งเดียวกัน สสารคือพลังงานที่พักอยู่ แสงคือสสารที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดในจักรวาล) 

        หลุมดำที่เกิดขึ้นจากดาวฤกษ์ยุบตัวมีขนาดเล็ก (ดาวแคระขาวมีขนาดใกล้เคียงกับโลก ดาวนิวตรอนมีขนาดประมาณ 10 กิโลเมตร หลุมดำอาจมีขนาดเล็กกว่า 1 กิโลเมตร) อย่างไรก็ตามหลุมดำที่ศูนย์กลางของกาแล็กซีมีขนาดใหญ่หลายปีแสง เนื่องจากกาแล็กซีเป็นศูนย์กลางของระบบดาวฤกษ์จำนวนล้านล้านดวง กาแล็กซีมีมวลมหาศาล ใจกลางของกาแล็กซีเป็นศูนย์รวมของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นหลุมดำที่ใจกลางของแกแล็กซีจึงมีขนาดใหญ่ตามไปด้วย  ภาพที่ 8 เป็นรูปถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เผยให้เห็นจานรวมมวลขนาดใหญ่ของกาแล็กซี M87 ซึ่งพ่นแก๊สร้อนออกมาจากหลุมดำ