Como a maioria dos objetos celestes se encontra demasiado longe para viajarmos até eles, dependemos da radiação eletromagnética (luz) destes objetos para os estudarmos. Diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético fornecem informação sobre diversos mecanismos associados aos fenómenos astronómicos, e sobre a natureza dos objetos celestes. Na astronomia moderna, o estudo do Universo é realizado em grande medida usando todo o espectro eletromagnético: rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios X e raios gama. Apesar de, em linguagem comum, “luz” apenas se referir à luz visível, em astronomia, “luz” pode referir-se a todo o espectro eletromagnético.
Em média, os objetos astronómicos não têm carga elétrica. A forma dominante como estes objetos interagem através de longas distâncias é a gravitação. É a gravitação que faz com que os planetas orbitem o Sol, as estrelas orbitem os centros galácticos, e que mantém o plasma quente das estrelas agregado numa forma esférica. A maioria dos fenómenos astronómicos pode ser descrita usando a lei da gravitação de Newton mas, em casos mais extremos, é necessária a teoria da relatividade geral de Einstein para fornecer uma descrição exata.
A existência de ondas gravitacionais — ondulações no espaço-tempo — foi prevista pela teoria da relatividade geral no início do século XX. A sua primeira deteção direta confirmada foi conseguida em 2015, e os cientistas podem agora utilizá-las como uma nova janela para estudar o Universo. As ondas gravitacionais são geradas por fortes interações gravitacionais, como a fusão de dois buracos negros de grande massa ou de estrelas de neutrões. Os astrónomos também detetam vários tipos de partículas subatómicas, como neutrinos, eletrões e protões, para aprenderem sobre o interior do nosso Sol e sobre alguns dos processos mais energéticos do Cosmos.
Os astrónomos criam modelos matemáticos de objetos astronómicos, dos seus fenómenos associados e da sua evolução. A estrutura destes modelos é dada pelas teorias fundamentais da física e da química. Alguns modelos consistem em relações matemáticas elementares, modelos mais complexos fazem uso de simulações numéricas. As simulações mais sofisticadas são processadas em alguns dos maiores supercomputadores do mundo. Dados observacionais de telescópios e detetores são utilizados para testar e refinar os modelos. A interação entre a evidência observacional e os modelos é um importante aspeto da descoberta.
A investigação profissional em astronomia combina conhecimentos da matemática, da física, da química, da engenharia, das ciências computacionais, bem como de outras áreas. Esta visão abrangente provou ser essencial para revelar e modelar a natureza de objetos e fenómenos astronómicos. Por exemplo, para compreender as reações nucleares que ocorrem no interior das estrelas, os cientistas necessitam da física nuclear; para detetar os elementos resultantes nas atmosferas das estrelas, precisam da química. A engenharia é essencial para a produção de telescópios e detetores, e o desenvolvimento de software personalizado é crucial para analisar os dados fornecidos por estes instrumentos.
Como uma boa descrição dos objetos e fenómenos astronómicos requer um bom conhecimento de outras áreas científicas, a astronomia moderna é frequentemente dividida em especialidades de acordo com os principais tópicos abordados. Algumas destas especialidades incluem: a astrobiologia, a cosmologia, a astronomia observacional, a astroquímica e as ciências planetárias. Os astrónomos podem também escolher uma especialidade ao estudarem um tipo particular de objeto, como estrelas anãs brancas. Dado o papel importante desempenhado pela física na astronomia, os termos “astrofísica” e “astronomia” são usados de forma intercambiável.
A Lua é o objeto celeste mais próximo da Terra a uma distância de cerca de 384 400 quilómetros. O nosso Sol tem um diâmetro de 1,39 milhões de quilómetros, uma massa de cerca de 1989 milhares de biliões de biliões de quilogramas e é a estrela mais próxima da Terra a uma distância de cerca de 150 milhões de quilómetros (que define uma Unidade Astronómica, ua). A estrela mais próxima do Sol é Proxima Centauri e encontra-se a cerca de 4,25 anos-luz de distância. Um ano-luz é a distância que a luz percorre durante um ano (no vácuo), que é pouco mais de 9 biliões de quilómetros. A nossa galáxia tem um diâmetro de 100 000 – 120 000 anos-luz, e outras galáxias podem estar tão longe quanto milhares de milhões de anos-luz. As unidades em astronomia são muito maiores do que podemos imaginar. As escalas de tempo astronómicas são longas, e idades de milhões ou milhares de milhões de anos são típicas.
Várias características de objetos astronómicos podem ser reveladas apenas estudando o seu espectro — a decomposição da luz, à semelhança do arco-íris, em miríades de cores diferentes, cada uma caracterizada pelo comprimento de onda. Analisando a luz coletada de objetos astronómicos, os astrónomos conseguem determinar detalhes como a sua composição química, temperatura, pressão, campo magnético, entre outras características.
