Dado que la mayoría de los objetos celestes están demasiado lejos para viajar a ellos, debemos confiar en su radiación electromagnética (luz) para estudiarlos. Las diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético proporcionan información sobre varios mecanismos de los fenómenos astronómicos y sobre la naturaleza de los objetos celestes. En la astronomía moderna, el estudio del Universo se realiza principalmente utilizando todo el espectro electromagnético: radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Aunque en el lenguaje común la ”luz” solo se refiere a la luz visible, en astronomía la ”luz” puede referirse a cualquier parte del espectro electromagnético.
En promedio, los objetos astronómicos no tienen carga eléctrica neta. La forma dominante en la que estos objetos interactúan a grandes distancias es la gravitación. La gravitación es lo que hace que los planetas orbiten alrededor del Sol, las estrellas orbiten alrededor de los centros de las galaxias, y mantiene el plasma caliente de las estrellas unido en forma esférica. La mayoría de los fenómenos astronómicos pueden describirse utilizando la ley de la gravitación de Newton, pero en las situaciones más extremas se requiere la teoría general de la relatividad de Einstein para proporcionar una descripción precisa.
La existencia de ondas gravitacionales - ondas en el espacio-tiempo - fue predicha por la teoría general de la relatividad a principios del siglo XX. Su primera detección directa confirmada se logró en 2015, y los científicos pueden ahora usarlas como una nueva ventana para estudiar el Universo. Las ondas gravitacionales se generan por fuertes interacciones gravitacionales, como la fusión de dos agujeros negros masivos o estrellas de neutrones. Los astrónomos también detectan varios tipos de partículas subatómicas, tales como neutrinos, electrones o protones para aprender sobre el interior de nuestro Sol y algunos de los procesos más energéticos del cosmos.
Los astrónomos crean modelos matemáticos de objetos astronómicos, sus fenómenos asociados y su evolución. El marco de estos modelos está dado por las teorías fundamentales de la física y la química. Algunos modelos consisten en relaciones matemáticas elementales, mientras los modelos más complejos hacen uso de simulaciones numéricas. Las simulaciones más sofisticadas se ejecutan en algunas de las supercomputadoras más grandes del mundo. Los datos de observaciones de telescopios y detectores se utilizan para probar y perfeccionar los modelos. La interacción entre la evidencia observacional y los modelos es un aspecto importante del descubrimiento.
La investigación astronómica profesional combina conocimientos de matemáticas, física, química, ingeniería, ciencias de la computación, así como otros campos. Esta amplia visión ha demostrado ser esencial para descubrir y modelar la naturaleza de los objetos y fenómenos astronómicos. Por ejemplo, para comprender las reacciones nucleares que tienen lugar en el interior de las estrellas, los científicos necesitan la física nuclear; para detectar los elementos provenientes de las atmósferas de las estrellas, necesitan la química. La ingeniería es esencial para la fabricación de telescopios y detectores, y el desarrollo de software personalizado es crucial para analizar los datos proporcionados por esos instrumentos.
Dado que una buena descripción de los objetos y fenómenos astronómicos requiere de un buen conocimiento de otros campos científicos, la astronomía moderna se divide comúnmente en especialidades según los principales temas tratados. Algunas de estas especialidades incluyen: astrobiología, cosmología, astronomía observacional, astroquímica y ciencia planetaria. Los astrónomos también pueden elegir una especialidad de estudio de un tipo particular de objeto, tal como las estrellas enanas blancas. Dado el papel importante que desempeña la física en la astronomía, los términos “astrofísica” y “astronomía” se utilizan indistintamente.
La Luna es el objeto celeste más cercano a la Tierra a una distancia de unos 384.400 kilómetros. Nuestro Sol tiene un diámetro de 1,39 millones de kilómetros, una masa de unos 1,989 millones de billones de billones de kilogramos, y es la estrella más cercana a la Tierra a una distancia de alrededor de 150 millones de kilómetros (lo que define la Unidad Astronómica, UA). La estrella más cercana al Sol es Próxima Centauri que está a unos 4,25 años luz de distancia. Un año luz es la distancia que la luz viaja (en el vacío) en un año, que es poco más de 9 billones de kilómetros. Nuestra galaxia tiene entre 100.000 y 120.000 años luz de diámetro y otras galaxias pueden estar a miles de millones de años luz de distancia. Las unidades en la astronomía son mucho más grandes de lo que podríamos imaginar. Las escalas de tiempo astronómicas son largas y las edades de millones o miles de millones de años son típicas.
Varias características de los objetos astronómicos pueden ser reveladas solo estudiando su espectro - la descomposición de su luz -, similar a un arco iris, en miles de colores diferentes, cada uno caracterizado por la longitud de onda de la luz. Analizando la luz recogida de estos objetos, los astrónomos pueden determinar detalles como su composición, temperatura, presión, campo magnético, entre otras características.
