Comme la plupart des objets célestes sont trop éloignés pour pouvoir s'y rendre, nous devons compter sur le rayonnement électromagnétique (lumière) de ces objets pour les étudier. Différentes longueurs d'onde du spectre électromagnétique fournissent des informations sur les différents mécanismes des phénomènes astronomiques et sur la nature des objets célestes. En astronomie moderne, l'étude de l'Univers est principalement menée en utilisant l'ensemble du spectre électromagnétique: radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X et rayons gamma. Bien que dans le langage courant, la lumière se réfère uniquement à la lumière visible, en astronomie, la lumière peut faire référence au spectre électromagnétique.
En moyenne, les objets astronomiques ne portent aucune charge électrique nette. La manière dominante dont ces objets interagissent sur de longues distances est la gravitation. La gravitation est ce qui fait que les planètes tournent autour du Soleil, les étoiles tournent autour des centres galactiques et maintiennent le plasma chaud des étoiles ensemble sous forme sphérique. La plupart des phénomènes astronomiques peuvent être décrits en utilisant la loi de la gravitation Newton, mais dans les situations les plus extrêmes, la théorie générale de la relativité d’Einstein est nécessaire pour fournir une description précise.
L'existence d'ondes gravitationnelles - ondulations dans l'espace-temps - a été prédite par la théorie générale de la relativité au début du XXe siècle. Leur première détection directe confirmée a été réalisée en 2015, et les scientifiques peuvent désormais les utiliser comme une nouvelle fenêtre pour étudier l'Univers. Les ondes gravitationnelles sont générées par de fortes interactions gravitationnelles, telles que la fusion de deux trous noirs massifs ou d'étoiles à neutrons. Les astronomes détectent également divers types de particules subatomiques, comme les neutrinos, les électrons ou les protons, pour étudier l'intérieur de notre Soleil et certains des processus les plus énergétiques du cosmos.
Les astronomes créent des modèles mathématiques d'objets astronomiques, de leurs phénomènes associés et de leur évolution. Le cadre de ces modèles est fait avec les théories fondamentales de la physique et de la chimie. Certains modèles sont constitués de relations mathématiques élémentaires, des modèles plus complexes utilisent des simulations numériques. Les simulations les plus sophistiquées sont exécutées sur certains des plus grands superordinateurs du monde. Les données d'observation des télescopes et des détecteurs sont utilisées pour tester et affiner les modèles. L'interaction entre les données d'observation et les modèles est un aspect important de la découverte.
La recherche astronomique professionnelle combine des connaissances en mathématiques, physique, chimie, ingénierie, informatique, ainsi que dans d'autres domaines. Cette vue d'ensemble s'est avérée essentielle pour révéler et modéliser la nature des objets et des phénomènes astronomiques. Par exemple, pour comprendre les réactions nucléaires qui se produisent à l'intérieur des étoiles, les scientifiques ont besoin de la physique nucléaire; pour détecter les éléments résultants dans l'atmosphère des étoiles, ils ont besoin de chimie. L'ingénierie est essentielle pour la fabrication de télescopes et de détecteurs, et le développement de logiciels personnalisés est crucial pour l'analyse des données fournies par ces instruments.
Puisqu'une bonne description des objets et des phénomènes astronomiques nécessite une bonne connaissance des autres domaines scientifiques, l'astronomie moderne est généralement divisée en spécialités selon les principaux thèmes abordés. Certaines de ces spécialités comprennent: l'astrobiologie, la cosmologie, l'astronomie observationnelle, l'astrochimie et les sciences planétaires. Les astronomes peuvent également choisir une spécialité d'étude d'un type particulier d'objet, comme les étoiles naines blanches. Étant donné le rôle important que joue la physique au sein de l'astronomie, les termes «astrophysique» et «astronomie» sont utilisés de manière interchangeable.
La Lune est l'objet céleste le plus proche de la Terre à une distance d'environ 384 400 kilomètres. Notre Soleil a un diamètre de 1,39 million de kilomètres, une masse d'environ 1989 mille trillion de trillion de kilogrammes, et c'est l'étoile la plus proche de la Terre à une distance d'environ 150 millions de kilomètres (qui définit l'Unité Astronomique, UA). L'étoile la plus proche du Soleil est Proxima Centauri qui est à environ 4,25 années-lumière. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière (dans le vide) en un an, soit un peu plus de 9 trillions de kilomètres. Notre galaxie a un diamètre de 100 000 à 120 000 années-lumière et les autres galaxies peuvent atteindre des milliards d'années-lumière. Les unités en astronomie sont beaucoup plus grandes que nous ne pourrions l'imaginer. Les échelles de temps astronomiques sont longues et des âges de millions ou de milliards d'années sont typiques.
Plusieurs caractéristiques des objets astronomiques peuvent être révélées seulement en étudiant leur spectre - la décomposition en arc-en-ciel de leur lumière en des myriades de couleurs différentes, chacune caractérisée par la longueur d'onde de la lumière. En analysant la lumière collectée par ces objets, les astronomes peuvent déterminer des détails tels que leur composition élémentaire, la température, la pression, le champ magnétique, entre autres caractéristiques.
