参见：X射线天文学
当物质从黑洞的伴星转移至黑洞时，在联星系统中的黑洞是可以观测到的。掉落至致密伴星的质量释放出的能量是如此的巨大，使物质的温度升高至数亿度的高温并辐射出X射线；因此可以用X射线观察黑洞，而伴星可以用光学望远镜观察。从黑洞和中子星释放出来的能量有相同的数量级，使黑洞和中子星经常难以区分。
但是，中子星还有其他的特性。它们显示出微差自转，并且有磁场和呈现局部的爆炸现象（热核爆炸）。每当这些特性被观测到，就可以判断密接联星的伴星是中子星。
推导出的质量来自对致密X射线源的观测（结合X射线和可见光的资料），所有被辨认出为中子星的质量都在3-5倍的太阳质量，致密伴星的质量在5倍太阳质量以上的系统都未显露出中子星的特征。结合这些事实，致密伴星的质量在5倍太阳质量以上的越来越可能是黑洞。
值得注意的是，黑洞存在的证据不仅是从地球上观测到的，也来自理论：在如此的联星系统中，除了黑洞之外，没有任何天体可以做为这个致密伴星的天体。如果能直接观察到一个微粒（或一个气泡）坠落进入黑洞的轨道，就可以直接证明黑洞的存在。