Bien que les trous noirs eux-mêmes soient invisibles, leur influence gravitationnelle laisse des empreintes digitales indubitables sur la matière et la lumière proches. Les astronomes les détectent grâce à des mesures de masse, des lentilles gravitationnelles et des rayonnements à haute énergie.
Dans les systèmes binaires, le mouvement d’une étoile visible ou d’un disque gazeux peut révéler la présence d’un compagnon massif invisible. En suivant la période orbitale, la vitesse et la courbe de vitesse radiale, les astronomes calculent la masse totale du système. Si la masse déduite dépasse environ trois masses solaires, bien au-dessus du maximum pour une étoile à neutrons, un trou noir est l'explication la plus plausible.
Par exemple, le noyau de la galaxie NGC4261 héberge un grand disque en forme de spirale de la taille de notre système solaire. Sa courbe de rotation indique une masse bien supérieure à celle du Soleil, pointant vers un trou noir supermassif qui s'y cache.
La théorie de la relativité générale d’Einstein prédit que les objets massifs courbent l’espace-temps, courbant ainsi le trajet de la lumière. Cet effet a été confirmé pour la première fois lors de l'éclipse solaire de 1919, lorsque la lumière des étoiles a été déviée par la gravité du Soleil.
Lorsqu’un objet massif, autrement invisible, se trouve entre la Terre et une source lointaine, il peut agir comme un télescope naturel, grossissant et dupliquant la lumière de fond. De tels événements de microlentilles ont été observés dans le système MACHO‑96‑BL5, où deux images rapprochées sont apparues dans les images de Hubble, révélant le passage d'une lentille invisible, très probablement un trou noir de masse stellaire.
La matière tombant dans un trou noir est chauffée à des températures extrêmes, produisant d’importantes émissions de rayons X et gamma. Le binaire à rayons X CygnusX-1, alimenté par son compagnon HDE226868, est un exemple classique :son disque d'accrétion émet des rayons X brillants détectables par des observatoires tels que l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA.
Les trous noirs supermassifs peuvent également lancer des jets relativistes, émettant de puissantes ondes radio. La galaxie M87 héberge un tel jet, caractéristique d'un trou noir de plusieurs milliards de masses solaires.
Il est essentiel de se rappeler que les trous noirs ne sont pas des aspirateurs cosmiques; ils n'attirent que la matière qui s'aventure trop près. Malgré leur invisibilité, les preuves indirectes de leur existence sont convaincantes et continuent d'alimenter la découverte scientifique.