Da die meisten Himmelskörper zu weit entfernt sind, als dass wir hinreisen könnten, sind wir auf die elektromagnetische Strahlung dieser Objekte angewiesen, um sie zu untersuchen. Unterschiedliche Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums liefern uns Informationen über die Physik hinter astronomischen Vorgängen und über Zusammensetzung und Zustand der Himmelskörper. Die moderne Astronomie nutzt zur Untersuchung des Universums das gesamte elektromagnetische Spektrum: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Anders als in der Alltagssprache werden in der Astronomie häufig alle Arten elektromagnetischer Strahlung pauschal als Licht bezeichnet.
Insgesamt sind astronomische Objekte im Allgemeinen elektrisch neutral, enthalten also ebenso viele negative wie positive elektrische Ladungen. Entscheidend dafür, wie diese Objekte über große Distanzen hinweg aufeinander wirken, ist die Gravitation. Gravitation hält die Planeten auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne, hält Sterne auf ihren Umlaufbahnen um das Zentrum ihrer Galaxie, und hält das heiße Plasma der Sterne zu einer Kugel zusammen. Die meisten astronomischen Vorgänge, bei denen Gravitation eine Rolle spielt, lassen sich mittels des Newtonschen Gravitationsgesetzes beschreiben. In extremen Fällen ist jedoch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erforderlich, um eine genaue Beschreibung zu liefern.
Die Existenz von Gravitationswellen – Kräuselungen der Raumzeit – wurde Anfang des 20. Jahrhunderts theoretisch auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Die erste bestätigte direkte Beobachtung gelang ein Jahrhundert später, im Jahr 2015. Seither nutzen Wissenschaftler*innen die Gravitationswellen als neues Fenster zur Untersuchung des Universums. Gravitationswellen werden bei starken Gravitations-Wechselwirkungen erzeugt, wie zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher oder Neutronensterne. Eine weitere Informationsquelle: Verschiedene Arten subatomarer Teilchen, wie Neutrinos, Elektronen und Protonen, geben den Astronom*innen Aufschluss über das Innere der Sonne und einige der energiereichsten Prozesse im Kosmos.
Astronom*innen formulieren mathematische Modelle astronomischer Objekte, der mit diesen zusammenhängenden Phänomene und der zeitlichen Entwicklung solcher Objekte. Den Rahmen bilden dabei die grundlegenden Theorien der Physik und der Chemie. Einige Modelle bestehen aus elementaren mathematischen Beziehungen; komplexere Modelle nutzen numerische Simulationen. Die aufwändigsten Simulationen werden auf den größten heute verfügbaren Supercomputern ausgeführt. Beobachtungsdaten von Teleskopen und den zugehörigen Messinstrumenten helfen, die Modelle zu überprüfen und zu verfeinern. Das Zusammenspiel von Beobachtungsdaten und Modellen ist wichtig für neue astronomische Entdeckungen.
Professionelle astronomische Forschung nutzt Wissen aus Mathematik, Physik, Chemie, den Ingenieurwissenschaften, Informatik und anderen Feldern. So unterschiedliches Wissen miteinzubeziehen hat sich als unabdingbar herausgestellt, um die Natur astronomischer Objekte und Phänomene herauszuarbeiten und zu modellieren. Um zum Beispiel die Kernreaktionen im Inneren eines Sterns zu verstehen, benötigt man die Kernphysik; um die dabei entstandenen Elemente in der Atmosphäre eines Sterns nachzuweisen, benötigt man Atomphysik und Chemie. Ingenieurwissenschaften sind beim Bau von Teleskopen und Messinstrumenten am Erdboden und im Weltraum gefragt. Für die Auswertung der von diesen Instrumenten gesammelten Daten ist die Entwicklung von spezieller Software unerlässlich.
Da eine angemessene Beschreibung astronomischer Objekte und Vorgänge spezielle, vertiefte Sachkenntnis erfordert, teilt man die moderne Astronomie in eine Reihe von Spezialdisziplinen auf, mit jeweils eigenen Forschungsobjekten. Einige dieser Spezialdisziplinen sind: Astrobiologie, Kosmologie, beobachtende Astronomie, Astrochemie und Planetologie. Astronom*innen können sich auch auf die Untersuchung spezifischer Objekte spezialisieren, zum Beispiel auf die Untersuchung Weißer Zwerge. Aufgrund der bedeutenden Rolle, welche die Physik in der modernen Astronomie spielt, werden die Begriffe „Astrophysik” und „Astronomie” meist synonym verwendet.
Der Mond ist mit einer mittleren Entfernung von 384 400 Kilometern derjenige Himmelskörper, der der Erde am nächsten ist. Unsere Sonne hat einen Durchmesser von 1,39 Millionen Kilometern und eine Masse von 1,989 Millionen Billionen Billionen Kilogramm. Mit einer Entfernung von der Erde von rund 150 Millionen Kilometern (entsprechend einer Astronomischen Einheit, AE) ist sie der erdnächste Stern. Der nächste Stern jenseits der Sonne ist der etwa 4,25 Lichtjahre entfernte Proxima Centauri. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht im Vakuum in einem Jahr zurücklegt, also etwa 9,5 Billionen Kilometer. Unsere Galaxie misst etwa 100 000 bis 120 000 Lichtjahre im Durchmesser. Andere Galaxien sind Millionen oder sogar Milliarden Lichtjahre von der unseren entfernt. Die Größen in der Astronomie sprengen unsere Vorstellungskraft. Astronomische Zeitskalen sind meist lang und Zeiträume von Millionen und Milliarden Jahren sind durchaus typisch.
Verschiedene Eigenschaften astronomischer Objekte kann man nur über ihr Spektrum herausfinden – die regenbogenartige Zerlegung ihres Lichtes in Myriaden verschiedener Farben, von denen jede durch ihre Wellenlänge charakterisiert werden kann. Durch die Analyse des solchermaßen zerlegten Lichts ferner Objekte können Astronom*innen grundlegende Eigenschaften wie deren chemische Zusammensetzung, Temperatur, Druck sowie die Stärke des sie umgebenden und durchdringenden Magnetfeldes bestimmen, um nur einige zu nennen.
