หลุมดำ (black hole) คือ ส่วนที่เหลือของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ที่เย็นลง ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงสูงมาก จนทำให้วัตถุทุกชนิด รวมทั้งแสง ไม่สามารถหนีไปจากแรงดึงดูด ที่มีกำลังมหาศาลไปได้

ดาวฤกษ์คือก้อนพลาสมาสว่างขนาดใหญ่ ดาวฤกษ์มีสีแตกต่างกันตามความร้อนของพื้นผิว ถ้าร้อนที่สุดจะมีสีน้ำเงินหรือขาว ถัดไปจะมีสีเหลือง เช่นดวงอาทิตย์ของเรา ถัดไปอีกจะมีสีส้ม และที่ร้อนน้อยที่สุดก็จะมีสีแดง นอกจากนี้ ดาวฤกษ์ยังมีมากมายหลายขนาด ดวงอาทิตย์ของเราถือว่าเป็นดาวฤกษ์ขนาดเล็ก

เมื่อดาวฤกษ์ขนาดเล็กหมดแสงลง ก็จะระเบิดตัวออก เหลือแต่แก่นกลางที่ยุบตัวลงเล็กมาก กลายเป็นดาวแคระขาว (white dwarf) ซึ่งมีขนาดเท่ากับโลกของเรา

สำหรับดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ เมื่อเย็นลงก็จะระเบิดรุนแรงกว่า และเหลือแก่นกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า กลายเป็นดาวนิวตรอน (neutron star) ส่วนดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ก็จะกลายเป็นดาวนิวตรอนเช่นกัน แต่บางดวงอาจวิวัฒนาการต่อไปอีก จนกลายเป็นหลุมดำในที่สุด ซึ่งโอกาสที่จะกลายเป็นหลุมดำจะมีราวร้อยละ 1 เท่านั้น

หลุมดำมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับมวลของตัวเอง สำหรับหลุมดำที่มีมวลสารเท่ากับดวงอาทิตย์ จะมีเส้นรัศมีเพียง 3 กิโลเมตร

เราไม่สามารถมองเห็นหลุมดำได้โดยตรง อันเนื่องมาจากมีขนาดเล็ก อยู่ห่างไกล และไม่มีแสงสว่าง แต่นักดาราศาสตร์สามารถรู้ได้ว่าหลุมดำอยู่ตรงไหน ด้วยการสังเกตดวงดาวและกลุ่มแก๊สที่อยู่ใกล้เคียง

ทั้งนี้เพราะหลุมดำจะดึงดูดวัตถุต่างๆ ที่อยู่ใกล้เคียงเข้าสู่ตนเอง โดยในขณะที่วัตถุถูกดูดนั้น ก็จะเปลี่ยนสภาพไป พร้อมกับปล่อยพลังงานออกมาด้วย ทำให้เกิดเป็นวงกลมสว่างล้อมรอบหลุมดำ

ถึงแม้นักวิทยาศาสตร์จะมองไม่เห็นภายในหลุมดำก็ตาม แต่ก็สามารถบอกได้ว่า หลุมดำมีลักษณะอย่างไร

หลุมดำจะมีลักษณะเป็นลูกทรงกลมสีดำ ผิวนอกของลูกทรงกลมนี้เรียกว่า event horizon อันเป็นขอบเขตที่แสงไม่สามารถ
หลุดรอดออกไปได้ และก็เป็นขอบเขตที่วัตถุที่ผ่านเข้าไป จะไม่สามารถหลุดออกมาได้เช่นกัน โดยขอบเขตนี้ถือเป็นจุดที่ไม่มีทางหวนกลับได้ (point of no return) และถือเป็นขนาดของหลุมดำด้วย

ในใจกลางของลูกทรงกลมเรียกว่า singularity หมายถึง จุดจุดหนึ่งที่แรงโน้มถ่วงจะมีมาก จนทำให้ความหนาแน่นของวัตถุเท่ากับอนันต์ (infinity) และปริมาณของวัตถุเท่ากับศูนย์ โดยวัตถุที่ถูกหลุมดำดูด จะหายไปในจุดนี้

หลุมดำมีอยู่มากในระบบดาวฤกษ์คู่ โดยหลุมดำเหล่านี้จะโตขึ้นเรื่อยๆ ด้วยการดูดเอามวลสารจากดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เข้าสู่ตัวเอง จนกระทั่งดาวฤกษ์ถูกดูดจนหมด

หลุมดำขนาดใหญ่มากๆ อาจมีอยู่ที่ใจกลางของกาแล็กซี (galaxy) บางแห่ง รวมทั้งในทางช้างเผือกของเราเองด้วย 
หลุมดำเหล่านี้มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์เป็น 100 ล้านล้านเท่า เหตุที่หลุมดำโตจนมีขนาดใหญ่มากๆ ได้ ก็เพราะได้ดูดเอาวัตถุต่างๆ ที่มีอยู่อย่างมากมาย ในใจกลางของกาแล็กซี

ความลี้ลับของหลุมดำ ทำให้เกิดจินตนาการต่างๆ ขึ้นมากมาย เหมือนดังจินตนาการเกี่ยวกับ wormhole อันเป็นอุโมงค์ที่จะทำให้การเดินทางในอวกาศเป็นไปได้อย่างรวดเร็ว แต่ปัจจุบัน wormhole ก็ยังคงเป็นเพียงแนวความคิดทางทฤษฎีเท่านั้น เพราะยังไม่มีหลักฐานว่า wormhole นี้มีอยู่จริง

ถึงแม้ว่าในปัจจุบัน เรายังต้องเรียนรู้อีกมากเกี่ยวกับหลุมดำ แต่นักเทศน์ทางโทรทัศน์ (televangelist) ของศาสนาคริสต์นิกายโปรเตสแตนต์ชาวอเมริกัน 2 คน คือ Dr. Jack Van Impe และ Rexella Van Impe แห่ง Jack Van Impe Ministries ก็ได้ข้อยุติแล้วว่า หลุมดำมีคุณสมบัติครบถ้วนที่จะเป็นสถานที่ตั้งของขุมนรก อันมีผลทำให้นักเทศน์ทั้งสอง ได้รับรางวัลอีกโนเบล สาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ในปี พ.ศ. 2544

รางวัลอีกโนเบล:   รางวัลสำหรับงานวิจัยที่ทำให้  “ขำ” ก่อน “คิด”