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天文 」重定向至此。关于日本後奈良天皇时代的年號，请见「
天文 (日本) 」。
歐洲南方天文台 的帕拉納天文台 向銀河中心 發射的雷射導引星 。天文學 是一門研究天體 和發生在宇宙 中各種現象的自然科學 。它使用數學 、物理 和化學 來解釋它們整體的起源和演化 。天文學研究的對象包括行星 、衛星 、恆星 、星雲 、星團 、星系 、流星體 、小行星 和彗星 等等。相關現象包括超新星 爆炸、伽瑪射線暴 、類星體 、耀變體 、脈衝星 和宇宙微波背景輻射 。更通俗地說，天文學研究起源於地球大氣層 之外的一切事物。宇宙學 是天文學中研究整個宇宙 的一個分支。
天文學是最古老的自然科學之一。在早期文明有記載的歷史 中，有對夜空 進行了有條不紊的觀測。這些包括巴比倫 、希臘 、印度 、中國 、瑪雅 和許多古代的美洲原住民 ，以及埃及天文學 天體測量學 、天文航海 、觀測天文學 和曆法 的製作。
專業天文學分為觀測 和理論 兩個分支。觀測天文學的重點是從對天體的觀測中獲取數據，然後利用物理學的基本原理對這些數據進行分析。理論天文學的方向是發展電腦或分析模型來描述天體和天文現象。這兩個領域相輔相成：理論天文學試圖解釋觀測結果，觀測被用來證實理論的結果。
天文學是為數不多，讓業餘愛好者能積極參與 的科學之一。對於瞬變事件 的發現和觀測尤其如此。業餘天文學家 的參與幫助了許多重要的發現，例如發現新的彗星。
可觀察宇宙 的對數表示。 著名的天文物體用中文標記由哈伯太空望遠鏡 拍攝的一個巨大超新星殘骸 ：馬賽克組成的蟹狀星雲 從拉西拉天文台 看到銀河
1873年建成的澳大利亞新南威爾斯天文台。 19世紀時位於厄瓜多 基多 的基多天文台 ，位置在赤道 以南12'處[ 1] 漢語中「天文」一詞最早出現於《易傳 》。《易經·賁卦·彖辭》：「剛柔交錯，天文也；文明以止，人文也。觀乎天文，以察時變；觀乎人文，以化成天下。」「文」是指一切現象或形相，「天文」就是指自然現象[ 2] [ 3]
天文學的英文單詞「astronomy」來自希腊語 「ἀστρονομία 」（羅馬化：astronomia），後者由「ἄστρον 」（羅馬化：astron，意為「恆星」）和後綴「-νομία」（羅馬化：-nomia ，意為「⋯⋯之法則」）所組成。
天文學不應與占星術 混淆，後者是一種聲稱人類事務與天體位置相關的信仰體系[ 4] 兩個領域 有著共同的起源，但它們現在完全不同了[ 5]
「天文學」和「天體物理學 」是同義詞[ 6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 10] 徐遐生 的介紹性教科書《物理學宇宙》中所述，「天文學」可用於描述該學科的定性研究，而「天體物理學」則用於描述該科目面向物理學的版本[ 11] [ 6] 天體測量學 ，純粹是天文學，而不是天體物理學。科學家對這一主題進行研究的各個部門可能會使用「天文學」和「天體物理學」，部分取決於該部門在歷史上是否隸屬於物理部門[ 7] 天文學家 擁有物理學學位，而不是天文學學位[ 8] 天文期刊 》、《天文物理期刊 》和《天文與天體物理學報 》。
17世紀的荷蘭製圖師弗雷德里克·德·威特
在早期的歷史時期，天文學只包含觀測和預測肉眼可見天體的運動。在一些地方，早期文化留存了大量的文物，而除了儀式用途外，這些文物可能具有一些天文目的。通常，這些文物 還可以用來確定季節，這是瞭解何時種植作物和瞭解一年長度的重要因素[ 12]
在望遠鏡等工具發明之前，對恆星的早期研究是用肉眼進行的。隨著文明的發展，最顯著的是在埃及 、美索不達米亞 、希臘 、波斯 、印度 、中國 和中美洲 ，天文觀測台被組裝起來，關於宇宙性質的思想開始發展。大多數早期天文學都是繪製恆星和行星的位置圖，這門科學現在被稱為天體測量學 。通過這些觀測，形成了關於行星運動的早期想法，並在哲學上探索了太陽、月球和地球在宇宙中的性質。當時，地球被認為是宇宙的中心，太陽、月球和恆星圍繞地球旋轉。這被稱為宇宙的地心模型 ，或以托勒密 之名命名為托勒密體系 [ 13]
源於公元前4至3世紀的耆那教 天文學文本《蘇利耶波羅聶提經》（梵語 ：सूर्यप्रज्ञप्तिसूत्र ，羅馬化： Suryaprajnaptisūtra ）。圖為公元1500年前後的手稿，屬蕭恩藏品 [ 14] 早期，一個特別重要的發展是數學和科學天文學的開始，它始於巴比倫人 ，他們為後來在許多其它文明中發展起來的傳統天文學奠定了基礎[ 15] 巴比倫人 發現月食 以一種被稱為沙羅 的週期重複發生[ 16]
希臘的赤道式日晷 。在西元前3-2世紀的奧克斯河畔的亞歷山大 繼巴比倫人之後，古希臘 和希臘化 世界在天文學方面取得了重大進展。希臘天文學 的特點是從一開始就尋求對天象的合理物理解釋[ 17] 薩摩斯的阿里斯塔克斯 估計了月球和太陽的大小與距離 ，他提出了一個地球和行星繞太陽旋轉的太陽系 模型，現在稱為日心說 模型[ 18] 喜帕恰斯 發現了歲差 ，計算了月球的大小和距離，並發明了已知最早的天文儀器：星盤 [ 19] 星座 源自希臘天文學[ 20] 安提基西拉機械 （約西元前150–西元前80年）是早期的類比計算機 ，旨在計算給定日期的太陽 、月球 和行星 位置。直到14世紀，當機械天文鐘 出現在歐洲時，類似複雜性的科技人工製品才重新出現[ 21]
中世紀（直到13世紀）的歐洲有許多重要的天文學家。沃林福德的理查 （1292-1336）對天文學和鐘錶學 做出了重大貢獻，包括發明了第一個天文鐘，可以測量測量行星和其他天體之間角度的矩儀 月球 、太陽 和行星 的經度 ，並且可以預測日食 ，被稱為「Albion」的行星定位儀 。尼科爾·奧雷姆 （1320–1382）和尚·布里丹 （1300–1361）首先討論了地球自轉的證據，此外，布里丹還發展了動力理論（現代科學理論慣性 的前身），該理論能够證明行星能够在沒有天使干預的情况下運動[ 22] 喬治·馮·佩爾巴赫 約翰內斯·米勒 （1436–1476）幫助取得了天文學的進步，對幾十年後哥白尼發展日心模型起了重要的作用。
天文學在伊斯蘭世界 和世界其它地區蓬勃發展，這導致9世紀初穆斯林世界 出現了第一個天文台 [ 23] [ 24] [ 25] 本星系群 中最大的星系 仙女座星系 ，在波斯穆斯林天文學家阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲 的《恒星之書 》中已經有相關的描述[ 26] 阿里·伊本·里德旺 和中國天文學家 於1006年觀測到有記錄以來視星等 最亮的恆星事件：超新星 SN 1006 。伊朗學者比魯尼 觀察到與托勒密 相反，太陽的遠地點 （地球的遠日點）是移動的，而不是固定的[ 27] 巴塔尼 、薩比特·伊本·庫拉 、阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲 、比魯尼 、阿爾-宰爾嘎里 阿爾-比利安蒂 馬拉蓋天文台 和兀魯伯天文台 阿拉伯恆星名稱 [ 28] [ 29]
也有人認為大辛巴威 和廷布克圖 的廢墟[ 30] [ 31] 後古典主義 的西非 中，天文學家研究了恆星的運動及其與季節的關係，根據複雜的數學計算繪製了天體圖以及其他行星的精確軌道圖。桑海 的歷史學家馬哈茂德·卡蒂 流星雨 [ 32] [ 33] 撒哈拉以南 的非洲，在殖民前的中世紀沒有天文觀測，但現代的發現表明情况並非如此[ 34] [ 35] [ 36] [ 37]
在六個多世紀的時間裏（從中世紀晚期恢復古代學術到啟蒙運動），羅馬的天主教會 對天文學研究的財政和社會支持，可能比所有其他機構都多。教會的動機之一是找到復活節的日期 [ 38]
伽利略 對月球 觀測的草圖和顯示，月球表面是多山的。早期（约1000 ）科學手稿中的天文圖。 在文藝復興 期間，尼古拉斯·哥白尼 提出了太陽系的日心模型。他的工作得到了伽利略 和克卜勒 的擴展，在哥白尼的基礎上進一步完善日心說。克卜勒是第一個設計出正確描述行星繞太陽運動細節系統的人，然而，他並沒有成功地寫下建立起這個理論背後的定律[ 39] 牛頓 ，他發明了天體力學 和引力定律 。牛頓還開發了反射望遠鏡 [ 40]
望遠鏡的尺寸和質量的改進導致了進一步的發現。英國天文學家約翰·佛蘭斯蒂德 編輯的星表收錄了超過3,000顆恆星[ 41] 尼古拉-路易·德·拉卡伊 製作了更巨大，收錄了10,000顆南天恆星的星表。天文學家威廉·赫雪爾 製作了星雲和星團的詳細目錄，並於1781年發現了行星天王星 ，這是第一顆新發現的行星[ 42]
在18-19世紀，尤拉 、克萊羅 和達朗貝爾 對三體問題 的研究，導致能更準確預測月球和行星的運動。這項工作由拉格朗日 和拉普拉斯 進一步完善，可以根據行星和衛星的擾動來估計它們的質量[ 43]
天文學的重大進步伴隨著新技術的引入而來，包括分光鏡 和攝影術 。約瑟夫·夫朗和斐 在1814-15年在太陽光譜中發現了大約600條光譜線，克希荷夫 在1959年將其歸因於不同元素的存在。恆星被證明與太陽相似，但具有更廣泛的溫度 、質量 和大小[ 28]
到了20世紀，科學家才認識到地球所身處的銀河系是一個獨立的星系，並且在銀河系外還存在別的星系。這些星系都在遠離銀河系，科學家以此發現宇宙正在膨脹。
直到20世紀，地球與恆星集團所在的銀河系 ，才被證明是宇宙中眾多的星系 之一。觀察到的這些星系都在遠離銀河系的退行，導致了宇宙 膨脹的發現[ 44] 黑洞 和中子星 等天體存在的猜測，而這些天體被用來解釋類星體 、脈衝星 、耀變體 和電波星系 等觀測到的現象。物理宇宙學 在20世紀取得了巨大的進步。在20世紀初，大爆炸 理論的模型被公式化，宇宙微波背景輻射 、哈伯定律 和宇宙元素的豐度 都有力地證明了這一點。 太空望遠鏡 已經能够屏除大氣層的阻擋，在大氣層之上對電磁波頻譜的各部分進行觀測[ 45] 雷射干涉重力波天文台 （LIGO）項目宣佈，在2015年9月首次直接探測 到源自黑洞碰撞的重力波 訊號，展開了以重力波進行天文觀測的時代[ 46] [ 47]
可見光 ，乃至整個電磁輻射 光譜，是人類對天象的主要觀測途徑。[ 48] 電磁波譜 的區域所分，其中有的波長可從地球表面觀測，稱之大氣窗口，有的則須要在高海拔甚至在地球大氣層以外才能有效觀測。
新墨西哥州 的甚大天線陣 ，是電波望遠鏡 的一個例子。電波天文學使用波長 超出可見光範圍，大於約一毫米的電磁輻射[ 49] 無線電波 可以被視為波 ，而不是離散的光子 ，電波天文學與大多數其它形式的觀測天文學不同。因此，測量無線電波的振幅 和相位 相對容易，而在較短的波長下則不是那麼容易[ 49]
雖然有些無線電波 是由天體直接發射的，是熱發射 的產物，但觀察到的大部分無線電發射是同步輻射 的結果，這是在電子 繞磁場 運行時產生的[ 49] 星際氣體 產生的許多譜線 ，特別是21釐米處的氫 光譜線，可以在無線電波長下觀察到[ 11] [ 49]
在無線電波長下可以觀察到各種各樣的其它物體，包括超新星 、星際氣體、脈衝星 和活躍星系核 [ 11] [ 49]
智利的阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列 （ALMA）是地球上海拔最高的天文台之一[ 50] 紅外天文學建立在對紅外 輻射的檢測和分析之上，此類輻射的波長比紅光更長，超出了人類肉眼的可見的光波範圍。紅外光譜可用於研究太冷而無法輻射可見光的天體，例如行星 、星周盤 以及光線被塵埃阻擋的星雲 等。紅外輻射的波長較可見光長，所以可以穿透可見光所無法穿透的塵埃雲，有助於研究分子雲 深處的年輕恆星和星系核中心。來自廣域紅外線巡天探測衛星 （WISE）的觀測在揭示許多銀河系的原恆星 及其宿主星團 方面特別有效[ 51] [ 52] 波長 外，這些輻射會被地球大氣層 吸收或被掩蓋。因此，紅外天文臺必須位於地球高處乾燥的地方或太空中[ 53] 彗星 中的水 [ 54]
毛納基火山 上的昴星團望遠鏡 （左）和凱克天文臺 （中），都是在近紅外和可見光波長下運行的天文台。美國國家航空暨太空總署紅外望遠鏡設施 （右）是一個僅在近紅外波長下運行的望遠鏡。 從歷史上看，光學天文學，也稱為可見光天文學，是天文學最古老的形式[ 55] 電荷耦合器件 （CCDs）製作的，並記錄在現代介質上。然而，可見光本身從大約4000Å 延伸到7000Å（400 nm to 700 nm）[ 55] 近紫外線 和近紅外 輻射。
紫外線天文學使用的紫外線 波長介於100至3200 Å（10至320 nm）[ 49] 地球大氣層 吸收，因此需要從高層大氣或太空進行觀測。紫外線天文學最適合研究熱藍色恆星 （OB星 ）的熱輻射和光譜發射線，它們在這個波段非常明亮。在紫外線下常見的其它天體包括其它星系中的藍色恆星，行星狀星雲 、超新星遺跡 和活動星系核 [ 49] 星際塵埃 吸收，所以取得的數據必須再利用其它方法加以校準[ 49]
超大質量黑洞 所射出的X射線噴流，由美國太空總署 昌德拉X射線天文台 發現X射線天文學在X射線 範圍觀測天體。宇宙中的X射線來自於同步輻射 [ 註 1] 開爾文 的稀薄氣體發出的熱輻射（見軔致輻射 ）以及溫度高於1千萬開爾文的稠密氣體發出的熱輻射（見黑體輻射 ）。發出X射線的天體有：X射線聯星 、脈衝星 、超新星遺跡 、橢圓星系 、星系群 及活動星系核 等。由於X射線會被地球大氣層 吸收，所以X射線觀測必須用高空氣球 、火箭 或X射線天文衛星 進行。[ 49]
伽馬射線天文學所觀測的是電磁波譜中波長最短的輻射。伽馬射線 可通過康普頓伽瑪射線天文台 等衛星或大氣切倫科夫望遠鏡 [ 49] [ 56]
伽馬射線暴 是突然發出伽馬射線的天體，持續時間從幾毫秒到幾千秒不等，大部分伽馬射線源都屬於此類。只有一成的伽馬射線源為持續性射源，這包括脈衝星、中子星 及活動星系核等可能為黑洞 的天體。[ 49]
除了電磁輻射以外，還能通過一些別的方法研究天象。
中微子天文學 利用屏蔽效果極佳的地下中微子探測器 測量中微子 的流量。這類設施包括俄美鎵實驗 GALLEX 、超級神岡探測器 等。絕大數穿過地球的中微子 都來自太陽，但也曾經有探測到24顆來自SN 1987A 超新星爆發的中微子。[ 49] 宇宙射線 由極高能量粒子（原子核 ）組成，在進入地球大氣層時會衰變或被吸收，過程中會產生一系列的衍生粒子。現今的天文台可通過探測此類粒子來研究宇宙射線。[ 57] [ 49]
引力波天文學 通過觀測引力波 來研究遙遠的大質量天體，是一門新興的天文學領域。雷射干涉引力波天文台 （LIGO）是其中一座正在運行的引力波探測器 ，它在2015年9月14日探測到歷史上首個引力波訊號 ，訊號源自雙黑洞 。[ 58] 室女座干涉儀 共同探測到首個來自雙中子星 （GW170817 ）的引力波訊號。[ 59]
科學家可結合電磁輻射、中微子和引力波等不同方法研究同一個天體，這種做法稱為多元訊息天文學 [ 60] [ 61]
NGC 6357 星團和星雲天文學乃至所有科學中最古老的一個領域，是對各天體位置的測量。在歷史上，準確測量日、月、行星、恆星的位置，有天文航海 和制訂曆法 等作用。
18世紀開始，天文學家以精確測定的行星位置作為基礎，發展出完善的引力攝動理論 ，可以極精確地推算過去和未來的行星位置。這門學科稱為天體力學 。今天，科學家對近地天體 進行大規模追蹤，目的是預測這些天體何時會近距離略過地球以及評估與地球相撞的風險。[ 62]
太陽系周邊恆星的視差 是宇宙距離尺度 的起始點。在用視差測量附近恆星的距離後，可以通過比對，推測遙遠恆星的各種屬性。通過測量恆星的徑向速度 和自行 ，天文學家可以繪出銀河系內恆星的運行軌跡，從而算出銀河系暗物質 的分佈。[ 63]
1990年代，天文學家開始利用多普勒光譜學 觀察太陽系周邊恆星的擺動。這種方法可以用來發現一些較大的系外行星 （詳見系外行星偵測法 ）。[ 64]
理論天文學家的研究手段包括數學模型 及用電腦做數值模擬 ，即天體物理學。數學模型一般能揭示天文現象背後更深層次的原理，數值模擬則可以演示現實中難以觀察的現象。[ 65] [ 66]
太陽光球 的紫外線 圖像，美國太空總署 太陽過渡區與日冕探測器 （TRACE）太空望遠鏡攝 斯洛伐克洛姆尼茨基山 太陽天文台 太陽 離地球約8光分 ，或稱之天文單位 ，是距離地球最近，也是天文研究最為關注的恆星。太陽是一顆典型的主序 矮星 ，屬於G2V類 ，年齡有46億年。[ 67] 變星 ，但太陽粒子數 會上下波動，每11年為一太陽週期 。太陽粒子是太陽表面上溫度較平均低的區域，一般有強烈的磁場活動。[ 68]
自進入主序至今，太陽的亮度已增加了40%，期間它的亮度有過週期性波動，對地球上的氣候有著極大的影響。[ 69] 蒙德極小期 很可能導致了中世紀期間的小冰期 。[ 70]
在結構上，人們一般所能見到的太陽表面稱為光球 ，[ 71] 色球 ，[ 72] 日冕 。[ 73] 核聚變 。包圍著中心的是輻射層 ，這裡的等離子體 以輻射的形式把能量傳遞出來。輻射層以外是對流層 ，這裡的氣體以對流的形式把能量傳遞到外層。[ 74] [ 75]
太陽時時刻刻都從表面向外噴射大量的等離子體粒子，就是所謂的太陽風 。太陽風會一直達到太陽系的邊緣──太陽層頂。太陽風在經過地球時會與地磁場 （磁層 ）相互作用，會因此轉向，但也有一部分會被困在環繞地球的范艾倫輻射帶 中。當太陽風粒子沿著磁場線進入地球兩極的大氣層時，就會產生極光 。[ 76]
行星科學的研究對象，除了有太陽系內的行星 、衛星 、矮行星 、彗星 、小行星 等等，還包括太陽系外行星 。科學家最先通過望遠鏡觀察太陽系內的天體，再通過航天器，如今已對太陽系自身的形成和演化有了較好的認識。[ 77]
照片攝於火星 。一個塵卷風 沿著隕石坑壁向上爬（黑點），留下了一條暗暗的軌跡。塵卷風是火星大氣層 現象，類似於地球上的龍捲風 從內向外，太陽系可分為內行星、小行星帶 和外行星。內行星包括水星 、金星 、地球 和火星 ，均為類地行星 ；外行星包括木星 、土星 、天王星 和海王星 ，均為氣態巨行星 。[ 78] 柯伊伯帶 和可能延續1光年的奧爾特雲 。
太陽系行星是在46億年前的原行星盤 中誕生的。經過相互吸引、碰撞和吸積，原行星盤中逐漸積累起大塊物質，這些物質慢慢演變為原行星。太陽風 「吹走」大部分的離散物質，只有質量足夠大的行星才得以保留其大氣層。在接著的後期重轟炸期 期間，行星繼續受到太陽系剩餘物質的劇烈碰撞。這些碰撞的歷史遺跡在月球上的諸多撞擊坑 中就有跡可循。其中一些原行星也互相碰撞，科學家相信，月球就很有可能是在此類碰撞中形成 的。[ 79]
當行星達到一定的質量後，其內部的物質會根據不同的密度而分離，這段過程稱為行星分化 。分化的結果是，行星的中心為石質或金屬核，可分為固態和液態核，外層為幔和外殼。有些行星核可以產生磁場，避免大氣層被太陽風剝離。[ 80]
行星和衛星內部高溫的原因包括：行星形成時碰撞的殘留熱量、放射性 物質（鈾 、釷 、鋁-26 等等）的衰變以及其他天體所造成的潮汐力 。一些行星和衛星的內部熱量足以推動火山作用 等地質活動，擁有大氣層的行星和衛星還會經受表面侵蝕 。較小的天體如果不受潮汐力的影響，會比大天體更快地降溫。除了受隕石撞擊以外，小天體的地質活動會隨溫度的降低而息止。[ 81]
螞蟻星雲 。星雲中心的垂死恆星向外噴出大量物質，產生的形狀高度對稱，與普通爆炸的混亂形狀有明顯的不同研究恆星和恆星演化 ，對人們了解宇宙有著重要的意義。科學家對恆星的了解來自於觀察、理論以及對恆星內部的電腦模擬。恆星會在稱為暗星雲 的高密度塵埃和氣體中形成 。當星雲的穩定性受到破壞時，塵埃和氣體就會在自身引力下坍塌形成原恆星 。當原恆星核心的密度和溫度達到一定程度後，就會啟動核聚變 ，使恆星形成。[ 83]
幾乎所有原子量 大於氫 和氦 的化學元素 都是在恆星核心中形成 的。
恆星的屬性主要取決於它開始時的質量：質量越大，亮度就越高，氫在其核心聚變成氦的過程也發生得越快。隨著時間的推移，氫會完全轉化為氦，此時恆星會進入演化過程中的下一個階段。恆星核需要有更高的溫度才能使氦聚變。核心溫度足夠高的恆星會一邊使外層膨脹，一邊增加核心密度，形成紅巨星 。紅巨星會迅速用盡氦燃料，因此壽命不長。質量更大的恆星會逐步以更重的元素進行聚變，再經過一連串的演化階段。[页码请求
恆星的質量決定了它最終的歸宿：8個太陽質量以上的恆星會坍縮，成為超新星 ，而8個太陽質量以下的恆星則會噴出外層的物質，形成行星狀星雲 。超新星爆炸後的殘骸 是一顆密度極高的中子星 ；如果恆星質量超過3個太陽質量，則超新星殘骸將會是一個黑洞 。[ 87] 聯星 會有更加複雜的演化過程，例如，白矮星 會從其伴星不斷吸取物質，最終可引發超新星爆炸。行星狀星雲和超新星都有助於把恆星內部經聚變產生的「金屬元素 」（在天文學中泛指氫、氦以外的一切元素）分散到星際介質當中。全靠這兩者，包括太陽系在內的行星系統才會由氫和氦以外的多種元素所組成。
銀河系 旋臂結構示意圖太陽系 所處的銀河系 屬於棒旋星系 ，是本星系群 中的一員。銀河系由氣體、塵埃、恆星等各種天體所組成，這些天體繞銀河系的中心公轉，並通過相互引力束縛在一起。太陽系位於銀河系一個螺旋臂的外端，因此銀河系有很大部分受塵埃的阻擋，觀測不易。
銀河系中心是一個棒形隆起物，稱為核球。科學家相信在核球的最中心處有一個超大質量黑洞 。從核球起有四條主螺旋臂向外輻射至外端，此處的恆星形成非常活躍，含較多的第一星族 恆星。這些結構都基本位於同一平面上，平面以外還有一個扁球形銀暈 ，主要含年齡更大的第二星族恆星，亦含數以百計的球狀星團 。[ 90]
恆星和恆星之間的空間充斥著低密度的物質，稱為星際介質 。其中由氫等元素組成的分子雲 是恆星誕生的區域，密度相對較高。高密度的星前核心 或暗星雲 坍縮[ 註 2] [ 83]
大質量恆星出現後，分子雲變為由發光氣體和等離子體形成的電離氫區 。這些恆星產生的恆星風 和超新星爆炸最終使雲團疏散開來，往往留下若干年輕的疏散星團 。這些星團慢慢分散開，其中的恆星融入銀河系眾多的恆星當中。[ 91]
在研究過銀河系及其他星系中物質的運動情況後，科學家發現普通的可見物質只是星系總質量的一小部分。圍繞星系的暗物質暈 組成星系的大部分質量，但暗物質 的本質仍然是一個未解之謎。[ 92]
圖中的數個藍色環狀天體是同一個星系的多個重複影像。中間黃色星系的質量產生引力透鏡 效應，使來自背後遙遠星系的光線轉向，造成扭曲和重影的效果 對銀河系以外天體的研究分支包括：星系的形成和演化 、星系分類 、活動星系 觀測以及星系群 和星系團 的觀測。對星系群和星系團等的觀測對了解宇宙大尺度結構 有重要的意義。
大部分星系 都可根據形狀具體劃分為螺旋星系 、橢圓星系 及不規則星系 。[ 93]
顧名思義，橢圓星系的截面呈橢圓形 。星系中的恆星沿著隨機 軌道，而不是一個特別的方向運行。在橢圓星系中，星際塵埃幾乎不存在或完全不存在，恆星誕生的區域少，恆星普遍較老。橢圓星系常見於星系團的中心，很可能是大星系相撞的產物。
螺旋星系呈扁盤形，沿一個方向旋轉，中心有一個凸起的球狀物或棒狀物，從中伸出若干條螺旋臂，向外放射。螺旋臂發亮，充滿塵埃，是恆星誕生的區域，其中的年輕大質量恆星呈藍色。螺旋星系外圍一般是由老恆星組成的暈。銀河系 和鄰近的仙女座星系 都屬於螺旋星系。
不規則星系是外表混亂，無法歸為螺旋或橢圓星系的星系。宇宙中有四分之一的星系都屬於此類。混亂的形狀很可能是引力擾動的結果。
活動星系會發出巨大的能量，但這些能量並不來自它的恆星、塵埃或氣體，而是來自它的緻密核心。科學家相信，星系中心的超大質量黑洞在吸入物質後發出大量輻射，形成活動星系核。電波星系 會發出大量的無線電波 ，並散發出羽狀或葉狀的巨大氣體結構。其他的活動星系則會發出波長較短的高能輻射，如西佛星系 、類星體 和耀變體 。類星體是可觀測宇宙 中持續亮度最高的天體。[ 94]
宇宙在大尺度上的結構由星系群和星系團組成。最大的星系集體稱為超星系團 。宇宙中的物質在最大尺度上形成纖維狀結構 和長城 ，之間則是巨大的空洞 。[ 95]
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哈勃極深空 宇宙學 的研究對象是整個宇宙。物理宇宙學 家通過觀測宇宙大尺度結構 ，對宇宙的開端和演化有了深入的認識。現代宇宙學的核心思想是大爆炸 理論：宇宙在138億年前誕生，自此後不斷膨脹至今。[ 96] [ 97] 宇宙微波背景輻射 ，奠定了大爆炸的觀測基礎。[ 97]
宇宙在膨脹期間經歷了多個發展階段。宇宙學家猜測，宇宙最初曾有過極快速的宇宙暴脹 ，使波動的初始條件得以勻化。接著的核合成 過程產生了早期宇宙的各種原子核 （見核宇宙編年學 ）。[ 97]
此時宇宙充斥著離子 ，光子 不可穿透。直到中性原子 形成，太空才變得「透明」。第一次不受阻擋穿透太空的光線，至今仍游離於宇宙中，形成宇宙微波背景。有相當一段時間，由於恆星還未形成，宇宙是漆黑一片的。[ 98]
不同區域的物質質量密度有微乎其微的差異，物質因此開始聚合，形成各個尺度上的階級式結構。密度較高的物質成為了氣體雲和最早期的恆星──第三星族 恆星。這些大質量恆星激發了再電離 過程，製造了早期宇宙中的許多重元素。重元素在衰變後成為輕元素，使核合成週期可以延續下去。[ 99]
在引力的作用下，物質形成了大尺度纖維狀結構和巨大的空洞。氣體和塵埃逐漸聚集，形成早期星系。這些星系不斷納入更多的物質，並互相形成星系群和星系團，再組成超星系團。[ 100]
暗物質 和暗能量 的存在對宇宙的結構有著決定性作用。兩者合起來，共佔全宇宙質量的96%之多。因此，科學家正在極力試圖探究其背後的物理原理。[ 101]
天文學和天體物理學與其他科學領域有著密切的跨學科關係。考古天文學 利用考古學 和人類學 證據，研究遠古或傳統天文學在文化中的角色和地位。[ 102] 天體生物學 研究生物系統在宇宙中的起源 、演化 和分佈，並特別關注地外生物 能否存在，人類又如何能探測這些生命這些問題。[ 103] 天體統計學 [ 104]
天體化學 研究宇宙中化學物質 的形成和反應。[ 105] 宇宙化學 專門研究太陽系內化學物質的分佈、來源以及同位素 比率的變化。[ 106]
天文鑒證科學
業餘天文學家可以自己搭建觀測器材，並舉辦星空饗宴 。圖為位於美國佛蒙特州 的Stellafane天文俱樂部 天文學是眾多科學領域中，業餘者能夠最大程度參與的領域。[ 107]
業餘天文學家可以對各種天體和天文現象進行觀測，有的甚至會自己搭建觀測器材。最普遍的觀測對象包括：日、月、各大行星、小行星、彗星、流星雨 、恆星以及星團、星系、星雲等深空天體 。業餘天文俱樂部分佈在世界各地，有的會為成員提供各種幫助，從搭建器材乃至完成觀測梅西耶星表 （共110個）或赫歇爾目錄 （共400個）中的所有天體。
天文攝影 是業餘天文學的一個分支。許多業餘天文學家會選擇專門觀測某一類天體或某一類天文現象。[ 108] [ 109]
大部分業餘天文學家都在可見光 範圍內做觀測，但也有一小部分用可見光以外的波長進行觀測，包括在傳統天文望遠鏡上加上紅外濾光片，或使用射電望遠鏡 。卡爾·央斯基 在1930年代開始在無線電波長進行觀測，開創了業餘射電天文學。業餘天文學家不但可以使用自己的器材，還可以使用開放給業餘者的專業射電天文望遠鏡。[ 110] [ 111]
與大多數現代科學領域不同的是，業餘天文學家至今仍在為天文學作出重大的貢獻。比如，他們通過掩星 的方法提高小行星 軌道的測量精度，發現新彗星，又對變星 做定期觀測。隨著數碼科技的提升，業餘天文攝影也有了極大的進步。[ 112] [ 113] [ 114]
儘管隨著天文學的驚人發展，人類已經對宇宙的認知有了翻天覆地的變化，但是在今天仍然有一些至關重要的天文學未解之謎 。要解答這些謎題，有可能需要新的地面或太空觀測儀器，乃至理論和實驗物理上的新發展。
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