Deoarece majoritatea obiectelor cerești sunt prea îndepărtate pentru a călători spre ele, trebuie să ne bazăm pe radiația electromagnetică (lumina) emisă de aceste obiecte pentru a le studia. Diferitele lungimi de undă ale spectrului electromagnetic oferă informații despre diferitele mecanisme de producere a fenomenelor astronomice și despre natura obiectelor cerești. În astronomia modernă, studiul Universului se desfășoară în principal folosind întregul spectru electromagnetic: radio, microunde, infraroșu, vizibil, ultraviolete, raze X și raze gama. Deși, în limbajul comun, lumina se referă doar la lumina vizibilă, în astronomie lumina se poate referi la tot spectrul electromagnetic.
În medie, obiectele astronomice nu poartă sarcină electrică netă. Modul dominant în care astfel de obiecte interacționează pe distanțe lungi este efectul gravitației. Gravitația este cea care face ca planetele să orbiteze în jurul Soarelui, stelele în jurul centrelor galaxiilor și menține împreună plasma fierbinte a stelelor în formă sferică. Majoritatea fenomenelor astronomice pot fi descrise folosind legea atracției gravitaționale a lui Newton, dar în cele mai extreme situații este necesară teoria generală a relativității a lui Einstein, pentru a oferi o descriere precisă.
Existența undelor gravitaționale – unde/pulsații în spațiu-timp – a fost prezisă de teoria generală a relativității la începutul secolului al XX-lea. Prima lor detectare directă confirmată a fost realizată în 2015, iar oamenii de știință le pot folosi acum ca o nouă fereastră pentru a studia Universul. Undele gravitaționale sunt generate de interacțiuni gravitaționale puternice, cum ar fi fuziunea a două găuri negre masive sau stele neutronice. De asemenea, astronomii detectează diferite tipuri de particule subatomice, cum ar fi neutrinii, electronii sau protonii, pentru a studia interiorul Soarelui nostru și a învăța despre unele dintre cele mai energetice procese din Cosmos.
Astronomii creează modele matematice ale obiectelor astronomice, pentru fenomenele asociate acestora și pentru evoluția lor. Cadrul acestor modele este dat de teoriile fundamentale din fizică și chimie. Unele modele constau în relații matematice elementare, modelele mai complexe fac uz de simulări numerice. Cele mai sofisticate simulări rulează pe unele dintre cele mai mari supercalculatoare din lume. Datele observaționale de la telescoape și detectoare sunt folosite pentru a testa și a perfecționa modelele. Interacțiunea dintre dovezile observaționale și modele este un aspect important al descoperirii.
Cercetarea astronomică profesională combină cunoștințe din matematică, fizică, chimie, inginerie, informatică, precum și din alte domenii. Această perspectivă largă s-a dovedit esențială pentru detectarea și modelarea naturii obiectelor și fenomenelor astronomice. De exemplu, pentru a înțelege reacțiile nucleare care au loc în interiorul stelelor, oamenii de știință au nevoie de fizica nucleară; pentru a detecta elementele produse în atmosfera stelelor este nevoie de chimie. Ingineria este esențială pentru fabricarea telescoapelor și detectoarelor, iar dezvoltarea de software personalizat este crucială pentru analiza datelor furnizate de aceste instrumente.
Deoarece o bună descriere a obiectelor și fenomenelor astronomice necesită o bună cunoaștere a altor domenii științifice, astronomia modernă este de obicei împărțită în specialități, în funcție de principalele subiecte abordate. Unele dintre aceste specialități includ: astrobiologia, cosmologia, astronomia observațională, astrochimia și știința planetară. De asemenea, astronomii pot alege o specialitate pentru studiul unui anumit tip de obiect, cum ar fi stelele pitice albe. Având în vedere rolul important pe care îl joacă fizica în astronomie, termenii „astrofizică” și „astronomie” sunt folosiți în mod interschimbabil.
Luna este cel mai apropiat obiect ceresc de Pământ, la o distanță de aproximativ 384.400 de kilometri. Soarele nostru are un diametru de 1,39 milioane de kilometri, o masă de aproximativ 1989 de mii de trilioane de trilioane de kilograme și este cea mai apropiată stea de Pământ la o distanță de aproximativ 150 de milioane de kilometri (care definește Unitatea Astronomică, au). Steaua cea mai apropiată de Soare este Proxima Centauri, care se află la aproximativ 4,25 ani lumină distanță. Un an-lumină este distanța pe care o parcurge lumina (în vid) într-un an, care este puțin peste 9 trilioane de kilometri. Galaxia noastră are un diametru de 100.000 -120.000 de ani-lumină, iar alte galaxii se pot afla la miliarde de ani-lumină. Unitățile din astronomie sunt mult mai mari decât ne-am putea imagina. Scalele astronomice de timp sunt vaste iar vârstele de milioane sau miliarde de ani sunt specifice.
Câteva caracteristici ale obiectelor astronomice pot fi dezvăluite doar prin studierea spectrului lor - precum un curcubeu, descompunerea luminii lor în nenumărate culori diferite, fiecare caracterizată de o lungimea de undă. Analizând lumina colectată de la aceste obiecte, astronomii pot determina, printre alte caracteristici, detalii precum compoziția lor primară, temperatura, presiunea, câmpul magnetic.
