Ученые изучают черные дыры не напрямую, а наблюдая за их воздействием: отслеживают орбиты звезд вокруг невидимых центров, фиксируют рентгеновские лучи от разогретого газа в аккреционных дисках, регистрируют гравитационные волны от их слияний и даже делают "фотографии" их теней с помощью телескопов, как Event Horizon Telescope. Изучение орбит, рентгеновского излучения и гравитационных волн дает информацию об их массе, размере и местоположении.

Основные методы изучения:

1. Проследить за обращением скоплений звёзд вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре нет видимого объекта, и звёзды крутятся как будто вокруг пустого места, можно достоверно предположить, что именно тут и прячется чёрная дыра. Именно этим способом обнаружили чёрную дыру в центре нашей Галактики.

2. Чёрная дыра затягивает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают туда по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, похожий на кольцо Сатурна. Приближаясь к горизонту событий, частицы ускоряются и начинают испускать излучение в рентгеновском диапазоне. Если в какой-то области Вселенной регистрируется подобное явление, там должна быть чёрная дыра.

3. Если две черных дыры сливаются - появляется гравитационное излучение. При примерной массе каждой дыры в десять масс Солнца, при слиянии выделяется энергия, составляющая одному проценту их общей массы. Это излучение в тысячу раз больше всей энергии Солнца.выработанной за все 5 миллиардов лет его существования. Гравитационное излучение было обнаружено обсерваториями LIGO и VIRGO 14 сентября 2015 года. Сигналы гравитационного излучения были получены от слияние черных дыр с массами 29 и 36 масс Солнца, а расстояние до них было около 1,3 миллиарда световых лет, а масса излучения составляла три массы Солнца.

4 Наблюдение за мощными релятивистскими струями плазмы , выбрасываемыми из окрестностей черных дыр, помогает понять роль магнитных полей в их образовании.