天文学
观察和研究宇宙间天体的学科 来自维基百科，自由的百科全书
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“天文”重定向至此。关于日本后奈良天皇时代的年号，请见“天文 (日本)”。
天文学是一门研究天体和发生在宇宙中各种现象的自然科学。它使用数学、物理和化学来解释它们整体的起源和演化。天文学研究的对象包括行星、卫星、恒星、星云、星团、星系、流星体、小行星和彗星等等。相关现象包括超新星爆炸、伽玛射线暴、类星体、耀变体、脉冲星和宇宙微波背景辐射。更通俗地说，天文学研究起源于地球大气层之外的一切事物。宇宙学是天文学中研究整个宇宙的一个分支。
天文学是最古老的自然科学之一。在早期文明有记载的历史中，有对夜空进行了有条不紊的观测。这些包括巴比伦、希腊、印度、中国、玛雅和许多古代的美洲原住民，以及埃及天文学。在过去，天文学包括各种各样的学科，如天体测量学、天文航海、观测天文学和历法的制作。
专业天文学分为观测和理论两个分支。观测天文学的重点是从对天体的观测中获取数据，然后利用物理学的基本原理对这些数据进行分析。理论天文学的方向是发展电脑或分析模型来描述天体和天文现象。这两个领域相辅相成：理论天文学试图解释观测结果，观测被用来证实理论的结果。
天文学是为数不多，让业馀爱好者能积极参与的科学之一。对于瞬变事件的发现和观测尤其如此。业馀天文学家的参与帮助了许多重要的发现，例如发现新的彗星。
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汉语中“天文”一词最早出现于《易传》。《易经·贲卦·彖辞》：“刚柔交错，天文也；文明以止，人文也。观乎天文，以察时变；观乎人文，以化成天下。”“文”是指一切现象或形相，“天文”就是指自然现象[2][3]。
天文学的英文单词“astronomy”来自希腊语“ἀστρονομία”（罗马化：astronomia），后者由“ἄστρον”（罗马化：astron，意为“恒星”）和后缀“-νομία”（罗马化：-nomia，意为“⋯⋯之法则”）所组成。
天文学不应与占星术混淆，后者是一种声称人类事务与天体位置相关的信仰体系[4]。虽然这两个领域有著共同的起源，但它们现在完全不同了[5]。
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“天文学”和“天体物理学”是同义词[6][7][8]。根据严格的字典定义，“天文学”是指“研究地球大气层外的物体和物质及其物理和化学性质”[9]，而“天体物理学”是指天文学的一个分支，处理“天体和现象的行为、物理性质和动力学过程”[10]。在某些情况下，如徐遐生的介绍性教科书《物理学宇宙》中所述，“天文学”可用于描述该学科的定性研究，而“天体物理学”则用于描述该科目面向物理学的版本[11]。然而，由于大多数现代天文学的研究都涉及与物理学相关的学科，因此现代天文学实际上可以被称为天体物理学[6]。有些领域，如天体测量学，纯粹是天文学，而不是天体物理学。科学家对这一主题进行研究的各个部门可能会使用“天文学”和“天体物理学”，部分取决于该部门在历史上是否隶属于物理部门[7]，而且许多专业的天文学家拥有物理学学位，而不是天文学学位[8]。 该领域领先的科学期刊的一些标题包括《天文期刊》、《天文物理期刊》和《天文与天体物理学报》。
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在早期的历史时期，天文学只包含观测和预测肉眼可见天体的运动。在一些地方，早期文化留存了大量的文物，而除了仪式用途外，这些文物可能具有一些天文目的。通常，这些文物还可以用来确定季节，这是了解何时种植作物和了解一年长度的重要因素[12]。
在望远镜等工具发明之前，对恒星的早期研究是用肉眼进行的。随著文明的发展，最显著的是在埃及、美索不达米亚、希腊、波斯、印度、中国和中美洲，天文观测台被组装起来，关于宇宙性质的思想开始发展。大多数早期天文学都是绘制恒星和行星的位置图，这门科学现在被称为天体测量学。通过这些观测，形成了关于行星运动的早期想法，并在哲学上探索了太阳、月球和地球在宇宙中的性质。当时，地球被认为是宇宙的中心，太阳、月球和恒星围绕地球旋转。这被称为宇宙的地心模型，或以托勒密之名命名为托勒密体系[13]。
早期，一个特别重要的发展是数学和科学天文学的开始，它始于巴比伦人，他们为后来在许多其它文明中发展起来的传统天文学奠定了基础[15]。巴比伦人发现月食以一种被称为沙罗的周期重复发生[16]。
继巴比伦人之后，古希腊和希腊化世界在天文学方面取得了重大进展。希腊天文学的特点是从一开始就寻求对天象的合理物理解释[17]。西元前3世纪，萨摩斯的阿里斯塔克斯估计了月球和太阳的大小与距离，他提出了一个地球和行星绕太阳旋转的太阳系模型，现在称为日心说模型[18]。西元前2世纪，喜帕恰斯发现了岁差，计算了月球的大小和距离，并发明了已知最早的天文仪器：星盘[19]。喜帕恰斯还创建了一个包含1,020颗恒星的综合目录，并且北半球的大部分星座源自希腊天文学[20]。安提基西拉机械（约西元前150–西元前80年）是早期的类比计算机，旨在计算给定日期的太阳、月球和行星位置。直到14世纪，当机械天文钟出现在欧洲时，类似复杂性的科技人工制品才重新出现[21]。
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中世纪（直到13世纪）的欧洲有许多重要的天文学家。沃林福德的理查（1292-1336）对天文学和钟表学做出了重大贡献，包括发明了第一个天文钟，可以测量测量行星和其他天体之间角度的矩仪，以及可用于天文计算，如月球、太阳和行星的经度，并且可以预测日食，被称为“Albion”的行星定位仪。尼科尔·奥雷姆（1320–1382）和尚·布里丹（1300–1361）首先讨论了地球自转的证据，此外，布里丹还发展了动力理论（现代科学理论惯性的前身），该理论能够证明行星能够在没有天使干预的情况下运动[22]。乔治·冯·佩尔巴赫（1423–1461）和约翰内斯·米勒（1436–1476）帮助取得了天文学的进步，对几十年后哥白尼发展日心模型起了重要的作用。
天文学在伊斯兰世界和世界其它地区蓬勃发展，这导致9世纪初穆斯林世界出现了第一个天文台[23][24][25]。在964年，本星系群中最大的星系仙女座星系，在波斯穆斯林天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲的《恒星之书》中已经有相关的描述[26]。埃及的阿拉伯天文学家阿里·伊本·里德旺和中国天文学家于1006年观测到有记录以来视星等最亮的恒星事件：超新星SN 1006。伊朗学者比鲁尼观察到与托勒密相反，太阳的远地点（地球的远日点）是移动的，而不是固定的[27]。一些对科学做出重大贡献的著名伊斯兰（主要是波斯和阿拉伯）天文学家包括巴塔尼、萨比特·伊本·库拉、阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲、比鲁尼、阿尔-宰尔嘎里、阿尔-比利安蒂，以及马拉盖天文台和兀鲁伯天文台的天文学家。当时的天文学家引入了许多现在用于单颗恒星的阿拉伯恒星名称[28][29]。
也有人认为大辛巴威和廷布克图的废墟[30]有可能是天文台[31]。在后古典主义的西非中，天文学家研究了恒星的运动及其与季节的关系，根据复杂的数学计算绘制了天体图以及其他行星的精确轨道图。桑海的历史学家马哈茂德·卡蒂记录了1583年8月的流星雨[32][33]。欧洲人以前认为，撒哈拉以南的非洲，在殖民前的中世纪没有天文观测，但现代的发现表明情况并非如此[34][35][36][37]。
在六个多世纪的时间里（从中世纪晚期恢复古代学术到启蒙运动），罗马的天主教会对天文学研究的财政和社会支持，可能比所有其他机构都多。教会的动机之一是找到复活节的日期[38]。
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在文艺复兴期间，尼古拉斯·哥白尼提出了太阳系的日心模型。他的工作得到了伽利略和克卜勒的扩展，在哥白尼的基础上进一步完善日心说。克卜勒是第一个设计出正确描述行星绕太阳运动细节系统的人，然而，他并没有成功地写下建立起这个理论背后的定律[39]。最终解释行星运动的是牛顿，他发明了天体力学和引力定律。牛顿还开发了反射望远镜[40]。
望远镜的尺寸和质量的改进导致了进一步的发现。英国天文学家约翰·佛兰斯蒂德编辑的星表收录了超过3,000颗恒星[41]；法国天文学家尼古拉-路易·德·拉卡伊制作了更巨大，收录了10,000颗南天恒星的星表。天文学家威廉·赫雪尔制作了星云和星团的详细目录，并于1781年发现了行星天王星，这是第一颗新发现的行星[42]。
在18-19世纪，尤拉、克莱罗和达朗贝尔对三体问题的研究，导致能更准确预测月球和行星的运动。这项工作由拉格朗日和拉普拉斯进一步完善，可以根据行星和卫星的扰动来估计它们的质量[43]。
天文学的重大进步伴随著新技术的引入而来，包括分光镜和摄影术。约瑟夫·夫朗和斐在1814-15年在太阳光谱中发现了大约600条光谱线，克希荷夫在1959年将其归因于不同元素的存在。恒星被证明与太阳相似，但具有更广泛的温度、质量和大小[28]。
到了20世纪，科学家才认识到地球所身处的银河系是一个独立的星系，并且在银河系外还存在别的星系。这些星系都在远离银河系，科学家以此发现宇宙正在膨胀。 直到20世纪，地球与恒星集团所在的银河系，才被证明是宇宙中众多的星系之一。观察到的这些星系都在远离银河系的退行，导致了宇宙膨胀的发现[44]。理论天文学导致了对黑洞和中子星等天体存在的猜测，而这些天体被用来解释类星体、脉冲星、耀变体和电波星系等观测到的现象。物理宇宙学在20世纪取得了巨大的进步。在20世纪初，大爆炸理论的模型被公式化，宇宙微波背景辐射、哈伯定律和宇宙元素的丰度都有力地证明了这一点。 太空望远镜已经能够屏除大气层的阻挡，在大气层之上对电磁波频谱的各部分进行观测[45]。在2016年2月，雷射干涉重力波天文台（LIGO）项目宣布，在2015年9月首次直接探测到源自黑洞碰撞的重力波讯号，展开了以重力波进行天文观测的时代[46][47]。
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可见光，乃至整个电磁辐射光谱，是人类对天象的主要观测途径。[48]观测天文学的不同领域可依电磁波谱的区域所分，其中有的波长可从地球表面观测，称之大气窗口，有的则须要在高海拔甚至在地球大气层以外才能有效观测。
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电波天文学使用波长超出可见光范围，大于约一毫米的电磁辐射[49]。因为观测到的无线电波可以被视为波，而不是离散的光子，电波天文学与大多数其它形式的观测天文学不同。因此，测量无线电波的振幅和相位相对容易，而在较短的波长下则不是那么容易[49]。
虽然有些无线电波是由天体直接发射的，是热发射的产物，但观察到的大部分无线电发射是同步辐射的结果，这是在电子绕磁场运行时产生的[49]。此外，星际气体产生的许多谱线，特别是21厘米处的氢光谱线，可以在无线电波长下观察到[11][49]。
红外天文学建立在对红外辐射的检测和分析之上，此类辐射的波长比红光更长，超出了人类肉眼的可见的光波范围。红外光谱可用于研究太冷而无法辐射可见光的天体，例如行星、星周盘以及光线被尘埃阻挡的星云等。红外辐射的波长较可见光长，所以可以穿透可见光所无法穿透的尘埃云，有助于研究分子云深处的年轻恒星和星系核中心。来自广域红外线巡天探测卫星（WISE）的观测在揭示许多银河系的原恒星及其宿主星团方面特别有效[51][52]。 因为大气本身会产生大量的红外辐射，因此除了接近可见光的红外波长外，这些辐射会被地球大气层吸收或被掩盖。因此，红外天文台必须位于地球高处干燥的地方或太空中[53]。一些分子在红外线的波段有较强的辐射，这允许研究太空的化学；更具体地说，它可以探测彗星中的水[54]。
从历史上看，光学天文学，也称为可见光天文学，是天文学最古老的形式[55]。观测影像最初是手工绘制的。在19世纪末和20世纪的大部分时间里，影像都是用摄影设备拍摄的。现代的影像是使用数位探测器，特别是使用电荷耦合器件（CCDs）制作的，并记录在现代介质上。然而，可见光本身从大约4000Å延伸到7000Å（400 nm to 700 nm）[55]，同样的设备可以用来观察一些近紫外线和近红外辐射。
紫外线天文学使用的紫外线波长介于100至3200 Å（10至320 nm）[49]。这些波长的光会被地球大气层吸收，因此需要从高层大气或太空进行观测。紫外线天文学最适合研究热蓝色恒星（OB星）的热辐射和光谱发射线，它们在这个波段非常明亮。在紫外线下常见的其它天体包括其它星系中的蓝色恒星，行星状星云、超新星遗迹和活动星系核[49]。然而，由于紫外线很容易被星际尘埃吸收，所以取得的数据必须再利用其它方法加以校准[49]。
X射线天文学在X射线范围观测天体。宇宙中的X射线来自于同步辐射[注 1]、温度高于1千万开尔文的稀薄气体发出的热辐射（见轫致辐射）以及温度高于1千万开尔文的稠密气体发出的热辐射（见黑体辐射）。发出X射线的天体有：X射线联星、脉冲星、超新星遗迹、椭圆星系、星系群及活动星系核等。由于X射线会被地球大气层吸收，所以X射线观测必须用高空气球、火箭或X射线天文卫星进行。[49]
伽马射线天文学所观测的是电磁波谱中波长最短的辐射。伽马射线可通过康普顿伽玛射线天文台等卫星或大气切伦科夫望远镜来观测。[49]切伦科夫望远镜不直接探测伽马射线，而是观测大气吸收伽马射线时所产生的可见光闪光。[56]
伽马射线暴是突然发出伽马射线的天体，持续时间从几毫秒到几千秒不等，大部分伽马射线源都属于此类。只有一成的伽马射线源为持续性射源，这包括脉冲星、中子星及活动星系核等可能为黑洞的天体。[49]
除了电磁辐射以外，还能通过一些别的方法研究天象。
中微子天文学利用屏蔽效果极佳的地下中微子探测器测量中微子的流量。这类设施包括俄美镓实验（SAGE）、GALLEX、超级神冈探测器等。绝大数穿过地球的中微子都来自太阳，但也曾经有探测到24颗来自SN 1987A超新星爆发的中微子。[49]宇宙射线由极高能量粒子（原子核）组成，在进入地球大气层时会衰变或被吸收，过程中会产生一系列的衍生粒子。现今的天文台可通过探测此类粒子来研究宇宙射线。[57]未来的中微子探测器能力将会提高，有望探测到宇宙射线冲击大气时所发出的粒子。[49]
引力波天文学通过观测引力波来研究遥远的大质量天体，是一门新兴的天文学领域。雷射干涉引力波天文台（LIGO）是其中一座正在运行的引力波探测器，它在2015年9月14日探测到历史上首个引力波讯号，讯号源自双黑洞。[58]2017年，LIGO和室女座干涉仪共同探测到首个来自双中子星（GW170817）的引力波讯号。[59]
天文学乃至所有科学中最古老的一个领域，是对各天体位置的测量。在历史上，准确测量日、月、行星、恒星的位置，有天文航海和制订历法等作用。
18世纪开始，天文学家以精确测定的行星位置作为基础，发展出完善的引力摄动理论，可以极精确地推算过去和未来的行星位置。这门学科称为天体力学。今天，科学家对近地天体进行大规模追踪，目的是预测这些天体何时会近距离略过地球以及评估与地球相撞的风险。[62]
太阳系周边恒星的视差是宇宙距离尺度的起始点。在用视差测量附近恒星的距离后，可以通过比对，推测遥远恒星的各种属性。通过测量恒星的径向速度和自行，天文学家可以绘出银河系内恒星的运行轨迹，从而算出银河系暗物质的分布。[63]
1990年代，天文学家开始利用多普勒光谱学观察太阳系周边恒星的摆动。这种方法可以用来发现一些较大的系外行星（详见系外行星侦测法）。[64]
理论天文学家的研究手段包括数学模型及用电脑做数值模拟，即天体物理学。数学模型一般能揭示天文现象背后更深层次的原理，数值模拟则可以演示现实中难以观察的现象。[65][66]
太阳离地球约8光分，或称之天文单位，是距离地球最近，也是天文研究最为关注的恒星。太阳是一颗典型的主序矮星，属于G2V类，年龄有46亿年。[67]虽然太阳不是一颗变星，但太阳粒子数会上下波动，每11年为一太阳周期。太阳粒子是太阳表面上温度较平均低的区域，一般有强烈的磁场活动。[68]
自进入主序至今，太阳的亮度已增加了40%，期间它的亮度有过周期性波动，对地球上的气候有著极大的影响。[69]例如，蒙德极小期很可能导致了中世纪期间的小冰期。[70]
在结构上，人们一般所能见到的太阳表面称为光球，[71]光球以外是一层薄薄的色球，[72]色球以外有一层薄薄的过渡层，温度剧烈上升，直到最外面的超高温日冕。[73]太阳的中心有著极高的温度和压力，足以产生持续的核聚变。包围著中心的是辐射层，这里的等离子体以辐射的形式把能量传递出来。辐射层以外是对流层，这里的气体以对流的形式把能量传递到外层。[74]科学家相信，对流层气体的翻滚运动所产生的磁场活动导致了太阳粒子的形成。[75]
太阳时时刻刻都从表面向外喷射大量的等离子体粒子，就是所谓的太阳风。太阳风会一直达到太阳系的边缘──太阳层顶。太阳风在经过地球时会与地磁场（磁层）相互作用，会因此转向，但也有一部分会被困在环绕地球的范艾伦辐射带中。当太阳风粒子沿著磁场线进入地球两极的大气层时，就会产生极光。[76]
行星科学的研究对象，除了有太阳系内的行星、卫星、矮行星、彗星、小行星等等，还包括太阳系外行星。科学家最先通过望远镜观察太阳系内的天体，再通过航天器，如今已对太阳系自身的形成和演化有了较好的认识。[77]
从内向外，太阳系可分为内行星、小行星带和外行星。内行星包括水星、金星、地球和火星，均为类地行星；外行星包括木星、土星、天王星和海王星，均为气态巨行星。[78]在八大行星以外，还有柯伊伯带和可能延续1光年的奥尔特云。
太阳系行星是在46亿年前的原行星盘中诞生的。经过相互吸引、碰撞和吸积，原行星盘中逐渐积累起大块物质，这些物质慢慢演变为原行星。太阳风“吹走”大部分的离散物质，只有质量足够大的行星才得以保留其大气层。在接著的后期重轰炸期期间，行星继续受到太阳系剩馀物质的剧烈碰撞。这些碰撞的历史遗迹在月球上的诸多撞击坑中就有迹可循。其中一些原行星也互相碰撞，科学家相信，月球就很有可能是在此类碰撞中形成的。[79]
当行星达到一定的质量后，其内部的物质会根据不同的密度而分离，这段过程称为行星分化。分化的结果是，行星的中心为石质或金属核，可分为固态和液态核，外层为幔和外壳。有些行星核可以产生磁场，避免大气层被太阳风剥离。[80]
行星和卫星内部高温的原因包括：行星形成时碰撞的残留热量、放射性物质（铀、钍、铝-26等等）的衰变以及其他天体所造成的潮汐力。一些行星和卫星的内部热量足以推动火山作用等地质活动，拥有大气层的行星和卫星还会经受表面侵蚀。较小的天体如果不受潮汐力的影响，会比大天体更快地降温。除了受陨石撞击以外，小天体的地质活动会随温度的降低而息止。[81]
研究恒星和恒星演化，对人们了解宇宙有著重要的意义。科学家对恒星的了解来自于观察、理论以及对恒星内部的电脑模拟。[82]恒星会在称为暗星云的高密度尘埃和气体中形成。当星云的稳定性受到破坏时，尘埃和气体就会在自身引力下坍塌形成原恒星。当原恒星核心的密度和温度达到一定程度后，就会启动核聚变，使恒星形成。[83]
几乎所有原子量大于氢和氦的化学元素都是在恒星核心中形成的。[82]
恒星的属性主要取决于它开始时的质量：质量越大，亮度就越高，氢在其核心聚变成氦的过程也发生得越快。随著时间的推移，氢会完全转化为氦，此时恒星会进入演化过程中的下一个阶段。恒星核需要有更高的温度才能使氦聚变。核心温度足够高的恒星会一边使外层膨胀，一边增加核心密度，形成红巨星。红巨星会迅速用尽氦燃料，因此寿命不长。质量更大的恒星会逐步以更重的元素进行聚变，再经过一连串的演化阶段。[84][页码请求]
恒星的质量决定了它最终的归宿：8个太阳质量以上的恒星会坍缩，成为超新星，[85]而8个太阳质量以下的恒星则会喷出外层的物质，形成行星状星云。[86]超新星爆炸后的残骸是一颗密度极高的中子星；如果恒星质量超过3个太阳质量，则超新星残骸将会是一个黑洞。[87]相互公转的联星会有更加复杂的演化过程，例如，白矮星会从其伴星不断吸取物质，最终可引发超新星爆炸。[88]行星状星云和超新星都有助于把恒星内部经聚变产生的“金属元素”（在天文学中泛指氢、氦以外的一切元素）分散到星际介质当中。全靠这两者，包括太阳系在内的行星系统才会由氢和氦以外的多种元素所组成。[89]
太阳系所处的银河系属于棒旋星系，是本星系群中的一员。银河系由气体、尘埃、恒星等各种天体所组成，这些天体绕银河系的中心公转，并通过相互引力束缚在一起。太阳系位于银河系一个螺旋臂的外端，因此银河系有很大部分受尘埃的阻挡，观测不易。
银河系中心是一个棒形隆起物，称为核球。科学家相信在核球的最中心处有一个超大质量黑洞。从核球起有四条主螺旋臂向外辐射至外端，此处的恒星形成非常活跃，含较多的第一星族恒星。这些结构都基本位于同一平面上，平面以外还有一个扁球形银晕，主要含年龄更大的第二星族恒星，亦含数以百计的球状星团。[90]
恒星和恒星之间的空间充斥著低密度的物质，称为星际介质。其中由氢等元素组成的分子云是恒星诞生的区域，密度相对较高。高密度的星前核心或暗星云坍缩[注 2]，形成原恒星。[83]
大质量恒星出现后，分子云变为由发光气体和等离子体形成的电离氢区。这些恒星产生的恒星风和超新星爆炸最终使云团疏散开来，往往留下若干年轻的疏散星团。这些星团慢慢分散开，其中的恒星融入银河系众多的恒星当中。[91]
在研究过银河系及其他星系中物质的运动情况后，科学家发现普通的可见物质只是星系总质量的一小部分。围绕星系的暗物质晕组成星系的大部分质量，但暗物质的本质仍然是一个未解之谜。[92]
对银河系以外天体的研究分支包括：星系的形成和演化、星系分类、活动星系观测以及星系群和星系团的观测。对星系群和星系团等的观测对了解宇宙大尺度结构有重要的意义。
大部分星系都可根据形状具体划分为螺旋星系、椭圆星系及不规则星系。[93]
顾名思义，椭圆星系的截面呈椭圆形。星系中的恒星沿著随机轨道，而不是一个特别的方向运行。在椭圆星系中，星际尘埃几乎不存在或完全不存在，恒星诞生的区域少，恒星普遍较老。椭圆星系常见于星系团的中心，很可能是大星系相撞的产物。
螺旋星系呈扁盘形，沿一个方向旋转，中心有一个凸起的球状物或棒状物，从中伸出若干条螺旋臂，向外放射。螺旋臂发亮，充满尘埃，是恒星诞生的区域，其中的年轻大质量恒星呈蓝色。螺旋星系外围一般是由老恒星组成的晕。银河系和邻近的仙女座星系都属于螺旋星系。
不规则星系是外表混乱，无法归为螺旋或椭圆星系的星系。宇宙中有四分之一的星系都属于此类。混乱的形状很可能是引力扰动的结果。
活动星系会发出巨大的能量，但这些能量并不来自它的恒星、尘埃或气体，而是来自它的致密核心。科学家相信，星系中心的超大质量黑洞在吸入物质后发出大量辐射，形成活动星系核。电波星系会发出大量的无线电波，并散发出羽状或叶状的巨大气体结构。其他的活动星系则会发出波长较短的高能辐射，如西佛星系、类星体和耀变体。类星体是可观测宇宙中持续亮度最高的天体。[94]
宇宙在大尺度上的结构由星系群和星系团组成。最大的星系集体称为超星系团。宇宙中的物质在最大尺度上形成纤维状结构和长城，之间则是巨大的空洞。[95]
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宇宙学的研究对象是整个宇宙。物理宇宙学家通过观测宇宙大尺度结构，对宇宙的开端和演化有了深入的认识。现代宇宙学的核心思想是大爆炸理论：宇宙在138亿年前诞生，自此后不断膨胀至今。[96][97]1965年，科学家发现宇宙微波背景辐射，奠定了大爆炸的观测基础。[97]
宇宙在膨胀期间经历了多个发展阶段。宇宙学家猜测，宇宙最初曾有过极快速的宇宙暴胀，使波动的初始条件得以匀化。接著的核合成过程产生了早期宇宙的各种原子核（见核宇宙编年学）。[97]
此时宇宙充斥著离子，光子不可穿透。直到中性原子形成，太空才变得“透明”。第一次不受阻挡穿透太空的光线，至今仍游离于宇宙中，形成宇宙微波背景。有相当一段时间，由于恒星还未形成，宇宙是漆黑一片的。[98]
不同区域的物质质量密度有微乎其微的差异，物质因此开始聚合，形成各个尺度上的阶级式结构。密度较高的物质成为了气体云和最早期的恒星──第三星族恒星。这些大质量恒星激发了再电离过程，制造了早期宇宙中的许多重元素。重元素在衰变后成为轻元素，使核合成周期可以延续下去。[99]
在引力的作用下，物质形成了大尺度纤维状结构和巨大的空洞。气体和尘埃逐渐聚集，形成早期星系。这些星系不断纳入更多的物质，并互相形成星系群和星系团，再组成超星系团。[100]
暗物质和暗能量的存在对宇宙的结构有著决定性作用。两者合起来，共占全宇宙质量的96%之多。因此，科学家正在极力试图探究其背后的物理原理。[101]
天文学和天体物理学与其他科学领域有著密切的跨学科关系。考古天文学利用考古学和人类学证据，研究远古或传统天文学在文化中的角色和地位。[102]天体生物学研究生物系统在宇宙中的起源、演化和分布，并特别关注地外生物能否存在，人类又如何能探测这些生命这些问题。[103]天体统计学将统计学方法应用在分析不可胜计的天文观测数据上。[104]
天体化学研究宇宙中化学物质的形成和反应。[105]宇宙化学专门研究太阳系内化学物质的分布、来源以及同位素比率的变化。[106]
天文鉴证科学利用天文学的知识，解答法律、历史上的疑问，例如验证拍摄照片的日期或确认有关天文艺术作品的创作时间。
天文学是众多科学领域中，业馀者能够最大程度参与的领域。[107]
业馀天文学家可以对各种天体和天文现象进行观测，有的甚至会自己搭建观测器材。最普遍的观测对象包括：日、月、各大行星、小行星、彗星、流星雨、恒星以及星团、星系、星云等深空天体。业馀天文俱乐部分布在世界各地，有的会为成员提供各种帮助，从搭建器材乃至完成观测梅西耶星表（共110个）或赫歇尔目录（共400个）中的所有天体。
天文摄影是业馀天文学的一个分支。许多业馀天文学家会选择专门观测某一类天体或某一类天文现象。[108][109]
大部分业馀天文学家都在可见光范围内做观测，但也有一小部分用可见光以外的波长进行观测，包括在传统天文望远镜上加上红外滤光片，或使用射电望远镜。卡尔·央斯基在1930年代开始在无线电波长进行观测，开创了业馀射电天文学。业馀天文学家不但可以使用自己的器材，还可以使用开放给业馀者的专业射电天文望远镜。[110][111]
与大多数现代科学领域不同的是，业馀天文学家至今仍在为天文学作出重大的贡献。比如，他们通过掩星的方法提高小行星轨道的测量精度，发现新彗星，又对变星做定期观测。随著数码科技的提升，业馀天文摄影也有了极大的进步。[112][113][114]
尽管随著天文学的惊人发展，人类已经对宇宙的认知有了翻天覆地的变化，但是在今天仍然有一些至关重要的天文学未解之谜。要解答这些谜题，有可能需要新的地面或太空观测仪器，乃至理论和实验物理上的新发展。
- 恒星质量分布从何而来？为什么不论初始条件如何，天文学家都会观测到相同的初始质量函数？[115]有待对恒星和行星的诞生过程有更深入的了解。
- 宇宙中是否存在其他生命体？是否存在其他智慧生物？如果存在，应如何解决费米悖论？证实地球以外生物的存在，对许多科学和哲学问题有至关重要的意义。[116][117]太阳系是平平凡凡，还是绝无仅有？
- 暗物质和暗能量的本质是甚么？这两者在宇宙的发展和未来有著决定性作用，然而人类对它们的本质尚且一无所知。[118]宇宙的终极命运是甚么？[119]
- 第一批星系是如何形成的？[120]超大质量黑洞是如何形成的？[121]
- 超高能宇宙射线从何而来？[122]
- 锂元素在宇宙中的丰度为甚么比大爆炸模型所预测的低四倍？[123]
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