天体 物理学（英文：astrophysics） 既是 天文学 的一个主要分支，也是物理学的分支之一，它是利用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、物理条件、 化学 组成和演化规律的学科。 研究对象包括 太阳 （太阳物理学）、其他 恒星 、 星系 、 太阳系外行星 、星际介质和宇宙 微波 背景。这些物体的辐射在 电磁波谱 的所有部分都被观测，观测的属性包括光度、密度、温度和化学成分。 天体物理学分为：太阳物理学、 太阳系 物理学、 恒星物理学 、星系物理学、宇宙论、实测天体物理学和 理论天体物理学 等分支学科。它们相对独立而又互相关联渗透，形成一个有机的整体。
天体 物理学萌芽于对天体的亮度和颜色进行分类以及对 太阳黑子 的观察研究。真正意义上的天体物理则始于 艾萨克·牛顿 引力 理论和近代物理学的大发展之后。17到19世纪主要局限于 太阳 物理和恒星物理的范围之内。分光术和照相术的引入对 天体 的结构、 化学 组成和物理形态的研究形成了较完整的体系。天体物理学逐步形成为 天文学 的一个独立的分支学科。 1984年，国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）设立了天体物理学委员会，平行于粒子物理、凝聚态物理等委员会。这标志着 天体 物理在物理学中已占有重要地位。有越来越多的物理学家投人天体物理研究。 20世纪是天体物理真正意义上的大发展。在实测方面 得力 于 大型光学望远镜 、射电望远镜和空间高能 探测器 以及先进的焦面检测分析设备（CCD等），使我们对 太阳 ， 恒星 ， 星系 ，活动星系核， 星系团 以及 宇宙 整体的表观结构和活动规律都有了较清晰的了解。在理论方面对于太阳和恒星的结构和演化已有了可喜的进展。进而对于星系和活动星系核的关系，星系团的形成和瓦解以及大爆炸宇宙论均有了长足的进展。 天体 物理学家的一些研究领域包括确定 暗物质 、 暗能量 、黑洞和其他天体的性质；以及宇宙的起源和最终命运理论天体物理学家研究的主题还包括 太阳系 的形成和演化； 恒星动力学 和演化 星系演化 ； 磁流体力学 宇宙中物质的大尺度结构；宇宙射线的起源 广义相对论 、 狭义相对论 、量子和 物理宇宙学 ，包括弦宇宙学和天体 粒子物理学 。 还包括大爆炸模型，主要理论是广义相对论和宇宙学原理。证实了太初 核合成 理论和 宇宙 微波背景辐射。后来学者又创立了ΛCDM模型来解释 宇宙 的演化。
天体物理学把巨大的 宇观 世界和细小的微观世界统一在一个完整的物理理论之中。 许多重要的 天文学 现象由物理学家所发现的比例很大，物理学家对此作出了重要贡献。从20世纪70年代初开始的17次 诺贝尔物理学奖 中，有四次是颁发给 天体 物理研究成果的。
发展
早期研究
公元前129年古希腊天文学家 喜帕恰斯 （Hipparchus，公元前190一前125）目测 恒星 光度，1543年， 波兰 天文学家哥白尼在《 天体运行论 影响世界历史进程的书 》中系统地提出了 日心说 。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，一个半世纪中从主要纯粹描述天体位置、运动的经典 天体测量学 ，向着寻求造成这种运动力学机制的 天体力学 发展。
1609年 伽利略·伽利莱 （Galileo，G，1564-1642）使用光学望远镜观测 天体 ，绘制月面图，并证实日心说， 不仅发现恒星数量远较以前肉眼所见多很多，而且还发现了月球地貌、 金星 盈亏、 木星卫星 、土星光环等许多前所未知的 天文现象 ，从而开辟了现代天文学的新时代。 1655-1656年 克里斯蒂安·惠更斯 （Huygens.C，1629-1695）发现土星光环和 猎户座大星云 ，后来还有哈雷（Halley.E，1656-1742）发现 恒星 自行，到18世纪F.W.赫歇耳（Herschel.F.W，1738―1822）开创恒星天文学。 1750年， 英国 天文学家赖特指出，银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状 天体系统 。 17世纪，牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径，建立了经典宇宙学， 17–18世纪 天文观测 与牛顿力学的结合诞生了 天体力学 。 1783年，英国天文学家哈雷通过对所观测到的大量恒星运动的统计分析，发现 太阳 以大约每秒20千米的速度朝着 织女一 方向运动。 这是 天体 物理的孕育时期。
19世纪中叶，三种物理方法——分光学、 光度学 和照相术广泛应用于天体的观测研究以后，对天体的结构、 化学 组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系，天体物理学遂成为天文学的一个独立的分支学科。 天体物理学萌芽于对天体的亮度和颜色进行分类以及对 太阳黑子 的观察研究。真正意义上的天体物理则始于 艾萨克·牛顿 引力 理论和近代物理学的大发展之后。17到19世纪主要局限于 太阳 物理和恒星物理的范围之内。分光术和照相术的引入对 天体 的结构、化学组成和物理形态的研究形成了较完整的体系。
快速发展
天体物理学的发展，促使 天文观测 和研究的新成果和新发现不断涌现。1859年基尔霍夫（Kirchhoff.G.R，1824一1887）对 太阳 光谱的吸收线（即 夫琅禾费 谱线 ）作出科学解释。他认为吸收线是 光球 所发出的 连续光谱 被太阳大气吸收而形成的。这一发现推动了天文学家用分光镜研究 恒星 。1864年， 威廉·哈金斯 （ Huggins. W，1824一1910）用高色散度的摄谱仪观测恒星，证认出某些元素的谱线，以后根据 多普勒效应 又测定了一些恒星的视向速度。 约瑟夫·洛克耶 （Norman Lockyer）是扩展 太阳 和 恒星光谱 研究的人之一，他在1868年发现了太阳光谱中的辐射线和暗线。他与化学家爱德华·弗兰克兰合作研究了各种温度和压力下的元素光谱，他无法将 太阳 光谱中的黄线与任何已知元素联系起来。因此，他声称这条线代表一种新元素，被称为氦，以 希腊 的 赫利俄斯 （ Helios ）命名，是太阳的化身。1885年，皮克林（Pickering.E.C，1846―1919）首先用物端 棱镜 拍摄光谱，进行恒星光谱分类。通过对 星云 的研究，在 仙女座大星云 中发现新星，这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。1984年，国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)设立了天体物理学委员会，平行于粒子物理、凝聚态物理等委员会。这标志着 天体 物理在物理学中已占有重要地位。
鼎盛时期
1905年，赫兹普龙（Hertzsprung.E，1873―1967）在观测基础上将部分 恒星 分为巨星和 矮星 。1913年，H.N.罗素（Russell，1877一1957）按 绝对星等 与光谱型绘制恒星分布图，即 赫罗图 。1920年，萨哈（M.Saha，1893-1956）提出恒星大气电离理论。通过 亚瑟·埃丁顿 （Eddington.A.S，1882―1944）等人的研究，逐步建立了恒星内部结构和恒星大气理论。1938年， 贝特 （Bethe.H.A，1906一）提出了氢聚变为氮的热核反应理论，成功地解决了 主序星 的产能机制问题，为此，1967年贝特被授予 诺贝尔物理学奖 。
1912～1926期间， 美国 天文学家斯里弗（Slipher）观测到46个 星系 的光谱，发现 谱线 的位置普遍地红向位移。若假设谱线位移是星系空间运动的反映，则星系的退行速度超过 恒星 的平均空间运动速度1个量级、2个量级、甚至更大，即达到每秒几百公里、几千公里、甚至上万公里。天文学家将星系的红向位移现象、简称“ 红移 ”。1929年，美国天文学家 爱德文·哈勃 （Hubble）根据前人的“红移”观测资料以及估算的星系距离数值，发现星系退行速度和星系距离呈线性正比关系。
1929年，哈勃（Hubble.E.P，1889-1953）在研究 河外星系 光谱时，提出了哈勃定律，极大地推动了星系 天文学 的发展。1931一1932年，央斯基（Jansky.K.G，1905―1950）发现了来自 银心 方向的 宇宙 无线电 。20世纪40年代，射电天文学蓬勃发展起来。60年代用射电天文手段发现了 类星体 、 脉冲星 、星际分子，微波背景辐射。
1917年， 阿尔伯特·爱因斯坦 首先运用他创建的 广义相对论 考察宇宙的结构和特征。当面临以亿光年计的空间领域、以亿年计的时间跨度、以及接近 光速 的运动速度时，已超出了牛顿力学的适用范围。探究的结果是得到一个与静态的、永恒的宇宙不同的、不稳定的时空结构模型。1922年，俄国数学家弗里德曼（Friedman）独立地利用相对论探求宇宙模型，得出一个动态的宇宙。1927年， 比利时 天文学家 勒梅特 （Lemaitre）不断探索得到的模型是一个正在膨胀的 宇宙 。
1948年， 邦迪 和戈德在 英国 《 皇家天文学会月刊 》(MNRAS)上发表了“膨胀宇宙的稳恒态理论”，正式提出了稳恒态宇宙模型。 1981年 美国 宇宙学家A.H.古斯提出暴胀宇宙理论，1981年底， 苏联 物理学家A.D.林杰，以及两位美国科学家A.阿尔布列赫特、P.J.斯坦哈特创立了一个新的暴胀宇宙理论方案。暴胀宇宙理论反映了宇宙进化的辩证性。该理论中的 相变 ，用辩证 唯物主义 的术语来说就是飞跃式的 质变 ，是作为一定量变稳定增长的结果而产生的。
20世纪末期，人们在弦论的研究中发现自洽的 弦律 要求额外维度的存在，通过学者不断研究创出一种新的额外维理论的产生———膜宇宙理论。 伦德尔（Rundall）与桑德鲁姆（Sundrum）提出了一个非紧致的额外维模型。
1957年， 苏联 发射 人造卫星 ， 美国 、西欧、 日本 也相继发射用于观测 天体 的人造卫星。世界各国已发射数量可观的 宇宙 飞行器，其上装有各种类型的探测器， 用以探测天体的 紫外线 、X 射线 等 波段 的辐射。天文学进入全波段观测时代，1990年4月24日空间望远镜（又称哈勃望远镜）的上天，为天体物理学揭开了新的一页，使人类到大气层外去观测宇宙得以实现。 进入21世纪，随着中微子、宇宙线和 引力波 的探测， 天文学 进入了多信使观测时代。
定义
天体物理学是天文学的一个分支，是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、 化学 组成、物理状态和演化规律的科学。 真正意义上的天体物理则始于 艾萨克·牛顿 引力 理论和近代物理学的大发展之后。17到19世纪主要局限于 太阳 物理和恒星物理的范围之内。分光术和照相术的引入对 天体 的结构、化学组成和物理形态的研究形成了较完整的体系。天体物理学逐步形成为天文学的一个独立的分支学科。在实测方面 得力 于 大型光学望远镜 、射电望远镜和空间高能 探测器 以及先进的焦面检测分析设备（CCD等），使我们对太阳， 恒星 ， 星系 ，活动星系核， 星系团 以及 宇宙 整体的表观结构和活动规律都有了较清晰的了解。在理论方面对于 太阳 和恒星的结构和演化已有了进展。进而对于星系和活动星系核的关系，星系团的形成和瓦解以及大爆炸宇宙论均有进展。从而有了 太阳 物理学、 太阳系 物理学、 恒星物理学 、星系物理学、宇宙论、实测天体物理学和 理论天体物理学 等分支学科。
分类
学科分类
天体 物理学应用物理学的技术、方法和理论，来研究各类天体的形态、结构、分布、 化学 组成、物理状态和性质以及它们的演化规律。 天体物理学主要分支分为理论天体物理学； 相对论 天体物理学； 磁流体力学 ； 等离子体 动力学 ；高能天体物理学；实测天体物理学。 往下细分天体物理学分为：太阳物理学、 太阳系 物理学、 恒星 物理学、恒星 天文学 、 星系 天文学、 天体演化学 、宇宙学等分支学科。
太阳物理学
研究 太阳 的物理构造、太阳内部和表面发生的物理过程以及太阳整体演化的学科。
恒星物理学
应用物理学知识，从实验和理论两方面研究各类 恒星 的形态、结构、物理状态和 化学 组成的学科，是天体物理学的分支。在恒星上发现的某些奇特物理现象，也能够启发和推动现代物理学的发展。
恒星天文学
研究银河系内的恒星、星团、星云、星际物质等的空间分布和运动特性。恒星天文学不采用讨论单个恒星的办法，而对大样本恒星，借助于统计分析和数学方法进行研究，以深入探讨银河系的结构和本质。恒星天文学综合 天体测量学 、天体物理学、射电天文学和高能天体物理学获得的各种数据，包括恒星的 视差 、位置、自行、视向速度、 星等 、色指数、光谱型和光度等。
天体演化学
研究 宇宙 和其中各种 天体 起源和演化的科学。研究内容依天体层次分 太阳系 、 恒星 、 星系 、 总星系 几个方面。
宇宙学
以整个宇宙为研究对象，从整体的角度研究其起源、演化和命运，涉及时空与性质、质能及分布、结构形成的学科，是天体物理的重要分支学科。
空间天文学
空间天文学是利用空间平台，在空间进行天体观测和研究天体的形态、结构、组成、运动、物理状态、演化规律的学科。在 天文学 发展史上，空间天文学的兴起是 天文观测 继 可见光 和射电观测的第三个里程碑，是人类认识 宇宙 的重大飞跃。
高能天体物理学
高能天体物理学是天体物理学的一个分支学科，主要任务是研究发生在宇宙 天体 上的高能现象和高能过程的学科。20世纪60年代 人造卫星 被送上太空以后，对宇宙天体的辐射过程的研究从 可见光 、射电扩展到X射线、 γ射线 等高能 电磁辐射 波段 。研究的对象限制在黑洞、 中子星 、 超新星 遗迹和γ射线暴，研究手段限制在对X射线和γ射线空间观测。
研究分类
从研究方法来说，天体物理又分为实测天体物理学和 理论天体物理学 。
实测天体物理学
实测天体物理研究天体物理学中基本观测技术，各种仪器设备的原理和结构，以及观测结果的处理方法。主要任务是为理论天体物理学提供研究资料，用观测证实理论推断。
早期人们只能利用眼睛对6000多个亮星进行光学波段的 星等 和颜色估计。伴随着人类物理知识的进步，开始利用光学望远镜来扩大可观察的 宇宙 范围和精细程度。不仅发现了 大行星 的 卫星 ，还把一些 星云 分解成 恒星 集团而改名为 星系 。接着又利用照相术代替人眼作为分析仪器以提高星等极限和可靠性。继而采用 光电倍增管 和光电成象器件代替照相底片。同时人们还利用物理学的新发展，开辟了其他 波段 ，利用各种望远镜（ γ射线 望远镜，x-射线望远镜， 紫外线 望远镜，光学望远镜，红外望远镜，亚毫米和毫米波望远镜和射电望远镜等）接收 天体 在上述波段辐射出的信号，再利用望远镜焦面的各种物理分析仪器对信号进行变换和分析处理，从而获得天体在各个波段的积分能量（ 星等 ）和分光能量分布（色指数和能谱）；天体的自行，视向速度和自转等运动特性；天体的半径和质量；天体的大气状态和 化学 组成；天体的演化阶段和环境关系等。总之伴随着物理学和新技术的发展，实测天体物理学获得了巨大的发展。人们不仅可以在地面上进行观测，还可以到大气外进行观测，对一些 太阳系 天体甚至可以进行采样观测研究。
理论天体物理学
理论 天体 物理学是解释已知 天文现象 的有力工具，而且还可以 预言 尚未观测到的天体和天象。以 辐射转移 理论为基础建立的 恒星 大气理论，以热 核聚变 概念为基础发展起来的元素合成理论，恒星内部结构理论和天体演化理论，乃是理论天体物理学的基础。理论物理与 天体 物理更广泛深人地结合，形成了 相对论 天体物理、 等离子体 天体物理、高能天体物理等分支。
宇宙 中最重要的有形物质 恒星 的主要辐射集中在光学 波段 ，离人类最近的恒星── 太阳 使得人眼对光学波段最敏感。因而古代人用肉眼观天以定岁时；光学望远镜拓展了人类的眼界并揭示了许多新 天文现象 ；先进的光学检测元件和方法使人类对宇宙的探测几乎达到了它的边沿。现代的光学 天文学 主要是利用大口径光学望远镜及其焦面附属仪器来研究 天体 的形态、结构、运动特性、物理状态、演化阶段和化学成分的一门学科。尽管近几十年来我们发展了多种波段天文学而进入了全波段天文学时代，新发现怪天象层出不穷，高分辨深细节耐人寻味，天文学的核心成就仍然主要来自光学天文，而且所有的新发现和新现象均要求寻找到光学对应体才能深入下去。正在天上的口径2.4米的 太空望远镜 宽 波段 测光可以达到30等，角分辨率0.01秒，可以探测到 红移 超过1的原始 星系 。这是其他波段所无法比拟的。各个 发达国家 都在竞相独立或合作研制新一代 地基 或空间大口径光学/红外望远镜，如 美国 的口径10米的Keck I和Keck II以及相应的光学 干涉仪 ， 欧洲 的16 = 4×8米的 甚大望远镜 和相应的干涉仪， 日本 的8.2米SUBARU等。高光效大面积CCD以及大视场多目标 光谱仪 的出现，使得光学 天文学 在深度和细度上正朝着前所未有的高度发展。
研究对象
太阳
离 地球 最近的一颗普通 恒星 。人们可以观测它的表面细节──黑子、 日珥 、耀斑等。对 太阳 的研究，经历了从研究它的内部结构、能量来源、 化学 组成和静态表面结构，到使用多 波段 电磁辐射 研究它的活动现象的过程。 太阳风 的影响能够为我们直接感受。日地关系密切，所以研究有关地球的科学，必须考虑太阳的因素。
太阳是离人类最近的恒星，是迄今为止唯一一颗人类能观测到其详细结构和物理过程的恒星，也是唯一有高精度 磁场 测量的 恒星. 因此，要解决 宇宙 天体 磁场的起源、恒星磁活动周的形成机制，以及恒星磁活动如何影响生命起源和宜居环境等重大科学问题，研究太阳是已知最直接的途径。同时， 太阳 物理学的重要研究目标之一是预报太阳爆发活动以防止其对人类造成灾害性影响.随着人类活动日益向 外层空间 拓展以及人类社会日益依赖于对空间天气敏感的高技术系统，太阳物理学的这一使命也日益重要和紧迫. 太阳系外行星 的探测和可 宜居带 的搜寻使得 恒星 磁活动、磁周期及其对可宜居性影响的研究成为 天体 物理学的前沿热点之一。作为一颗光谱型为G2V的具备详细观测资料的普通恒星， 太阳 磁周期的产生机制和磁周期强度变化的非线性调节机制可被恒星和 星系 物理所借鉴.恒星和星系物理在不同物理参数下的活动特征也可用来检验我们对太阳周的理解。
太阳系
对 行星 的研究是天体物理学的一个重要方面。对 彗星 的研究以及对 行星际物质 的分布、密度、温度、 磁场 和 化学 组成等方面的研究，也都取得了重要成果。随着空间探测的进展， 太阳系 的研究又成为最活跃的领域之一。人类利用 空间探测器 开展行星探测活动几乎贯穿整个航天史。在人类刚刚有能力挣脱 地球引力 飞向太空不久，第一个行星 探测器 就开始了它的探测征程，随着飞越、环绕、着陆、巡视、采样返回等多种探测方式的逐步开展，人类实现了对 太阳 系八大行星及其 卫星 、 小行星 、 矮行星 、 彗星 等 天体 的科学探测，提升了人类对太阳系起源与演化的认知。
恒星
银河系 有一二千亿颗 恒星 ，其物理状态千差万别。球状体、 红外星 、天体 微波 激射源、赫比格-阿罗 天体 ，可能都是从 星际云 到恒星之间的过渡天体。特殊恒星更是多种多样。 造父变星 的光变周期为1～50天，光变幅为0.1～2个 星等 ；长周期 变星 的光变周期为80～1000天，光变幅为2.5～8个星等； 天琴座RR 型变星的光变周期为0.05～1.5天，光变幅不超过1～2个星等；金牛座T型变星光变不规则，没有固定的周期；新星爆发时抛出大量物质，光度急骤增加几万到几百万倍；有的 红巨星 的半径比太阳半径大1000倍以上； 白矮星 的密度为10 5 ～10 7 克/厘米 3 ， 中子星 密度为10 13 ～10 16 克/厘米 3 。各种各样的 恒星 ，为研究恒星的形成和演化规律提供了样品。另外， 天体 上特殊的物理条件，在地球上往往并不具备，利用天体现象探索物理规律，是 天体 物理学的重要职能。
银河系
通过多年研究，人们对 银河系 的整体图像以及 太阳 在银河系中的地位，有了比较正确的认识。银河系的直径为25千秒差距，厚1～2千秒差距。通过对银河系恒星集团的研究，建立和证实了 星族 和银河系次系等概念。对银河系自转、 旋臂 结构、 银核 和银晕也进行了大量研究。
关于银河系的研究，对于 银心 核球的观测和研究有助于理解银河系的形成和演化过程。观测中发现的银河系中心结构分布和 运动学 特性主要包括形态上不对称的 平行四边形 、运动学上的 柱状 旋转，以及核球 恒星 分布的X型特征等。这些证据揭示了 银河系 的核球起源于 星系 盘结构本身的长期 动力学 演化。利用数值模拟的银河系模型，许多工作能够还原出银河系核球的盒状/花生状结构从星系盘中形成的过程，并且其关于动力学和形态学的结果也能较好地匹配银河系核球的观测结果。2010年，提出银河系核球模型，在模拟银河系核球更细致的结构时，发现 银心 并不包含一个显著的经典核球(classical bulge)。这意味着， 银河系 更接近于一个纯粹由星系盘通过自身的长期缓慢演化形成的星系。
河外星系和星系集团
河外星系与银河系属于同一天体层次。 星系 按形态大致分为5类： 旋涡星系 、 棒旋星系 、透镜型星系、椭圆星系、 不规则星系 。按星系的质量大小，又可分为 矮星系 、巨星系、超巨星系，它们的质量依次约为10 6 ～10 9 M ⊙ （ M ⊙ 为太阳质量）、10 10 ～10 11 M ⊙ 、10 12 ～10 13 M ⊙ 。同银河系一样，星系也由 恒星 和气体组成。三五个、十来个、几十个以至成百上千个星系组成星系集团，称 星系群 、 星系团 。
恒星形成 星系(star-forming galaxies，SFGs)的恒星形成率(ψSFR)与 恒星质量 (M*)之间存在紧密的相关关系(即lgψSFR-lg M*，称为“主序关系”)，弥散约为0.2～0.4 dex。主序关系对限制 星系演化 的理论模型具有重要的意义，是描述星系演化的基本关系之一。近年来，随着大型观测设备和数据处理技术飞速发展，星系形成和演化的理论模型也越来越完善，在此基础上，天文学家对于主序关系的研究取得了许多重要进展。首先介绍测量 星系 ψSFR的技术和挑选SFGs的方法，方便后续分析主序关系存在系统性偏差的原因。然后介绍主序关系最新的观测进展：主序关系在大质量端会“变平”，可能是由于星系/暗晕冷热 吸积 模式发生转换导致冷吸积减少；主序关系的弥散对恒星质量的依赖呈现U型，可能是由于小质量端的恒星反馈和大质量端的活动星系核反馈导致恒星质量相近的星系在 恒星形成 历史上具有多样性。
天体的化学问题
研究 宇宙 空间元素及其 同位素 的起源与分布、各类 天体 的化学组成与化学演化的天体化学。 人类对于天体只能从 光谱分析 、陨右及阿波罗 登月 飞船采样的全分析获得为数不多的天体的化学信息，并据以推测有关的 宇宙 化学反应。人类活动进入 地球大气层 以外的空间提出的新概念。随着登月的成功，星际航行时代日益临近，宇宙环境学特别是宇环 化学 的研究将会得到迅速开展。
宇宙的生物问题
太阳系 内，除 地球 外，原先估计只有 火星 或个别 大卫星 具有生命存在的条件。但 宇宙 探测器 探测结果表明，在 火星土壤 中没有发现任何生命形态。在星际空间中已经发现五十多种星际 有机化合物 ，在 石陨石 中发现了氨基酸，这表明宇宙中可能存在其他生命。
天体演化问题
恒星 起源于 分子云 核，通过内部的热 核聚变 反应释放能量维持自身平衡，同时合成新的元素，向周围环境输运物质和能量。对中小质量 恒星演化 的研究获得了很大成功，但仍存在诸多未解之谜，特别是大质量恒星的形成和死亡时的核 缩过程。此外，恒星的自转、 磁场 和 双星 间的相互作用等对恒星的演化也有重要影响。
研究成果
广义相对论证实
20世纪科学家 阿尔伯特·爱因斯坦 于1905年提出狭议相对论论时，没有遇到任何阻力。当时的物理实验的矛盾，只能用 狭义相对论 去解释，但是，1916年广义相对论问世时，却被认为是“不可思议的”。 英国 天文学家 亚瑟·埃丁顿 才亲自率队去西非洲 普林西比岛 观测1919年5月29日的日全食，测量星光在经过 太阳 附近是否真的会弯曲，而这种测量方法正是爱因斯坦本人建议的。测量结果，偏转度为1.61″，与爱因斯坦的 预言 相当一致， 广义相对论 从此被证实。
宇宙的膨胀和哈勃定律
1920年4月26日，美国科学院举行了“宇宙的尺度”辩论会，辩论的焦点是 银河系 的大小和是否存在 河外星系 。这是 天文学 史上有名的沙普利-柯蒂斯大辩论。辩论双方以无结论而告终。直到1924年底，天文学家 哈勃 向 美国 天文学年会提交了一篇书面报告。在 仙女座大星云 中发现了 造父变星 ，由此定出仙女座大星云是处在 银河 系之外的另一个 星系 世界。 哈勃 的主要贡献是确立了哈勃定律。到1929年，哈勃测量出29个河外星系的视向速度V r 和距离D，发现它们之间存在着简单的 线性关系 V r =H 0 D，其中H0称为 哈勃 常数 。哈勃定律表明 宇宙 中任何一个 星系 远离我们的速度V r 与它的距离成正比，说明宇宙在不停地膨胀着。
热大爆炸宇宙模型
哈勃定律的发现引起了物理学家的兴趣，他们显得比天文学家更关心宇宙的形成。宇宙有可能起始于一个“原初 原子 ”，经过 衰变 分裂和膨胀形成了目前的宇宙。 勒梅特 的这一朴素的想法被 伽莫夫 加以发展。伽莫夫的学生阿尔法于1947年开始具体计算元素的合成过程，作为他的 博士论文 。当1948年文章发表于《物理学评论》时，伽莫夫又加上了他的老朋友 贝特 ，使文章的作者名字成为α-β-γ。α-β-γ理论认为， 宇宙 初期是一团炽热而稠密的 中子 气，随着宇宙的膨胀，温度下降，中子衰变为 质子 和 电子 ，再通过不断地俘获剩余的 中子 ，从而逐步形成重核。
大爆炸理论出现之后被认为是 纸上谈兵 。仅仅有 哈勃 定律还不足以令人信服大爆炸理论。1965年发现的宇宙 微波 背景辐射 可谓是对大爆炸理论的强有力支持。只有大爆炸的余辉才能形成目前观测到的 黑体辐射 ，其温度为2.7K，又刚好同理论计算一致。
观测和理论的一致性，形成了当前被广泛公认的“标准 宇宙 模型”。标准宇宙模型主张宇宙起源于一次热大爆炸。除去上述的重要证据外，宇宙中的氦 丰度 也是有力的支持。目前观测到的宇宙中氦的含量达到25%，只有借助大爆炸后宇宙性核成过程才能形成这么多的氦。
类星体
类星体 的发现应追溯到 第二次世界大战 ，战争促进了 英国 雷达技术的发展，战后，一批为军事服务的科学家转而从事射电天文研究，使英国的射电 天文学 在一段时间内处于领先地位。1950年， 剑桥大学 发表了第一个 射电源 表（简称1C），它包括50个射电源。1955年发表了2C，包含1936个射电源，可惜由于技术上的原因，这些源大部分都是伪源。1959年，经过重新鉴定，发表了 3C ，包含471个源。这些源中实际上已经包含了 类星体 ，当天文学家们试图用光学望远镜去辨认这些射电源对应的 天体 究竟是什么时，类星体的发现已成了必然。
1960年，美国帕洛玛（Palomar）山天文台的 艾伦·桑德奇 首先在 三角座 找到了 3C 48 （3C 射电源 表的第48号源）的光学对应体。它看上去就像一颗普通的 恒星 ，但光谱具有宽发射线，且有光变。1962年，哈扎德利用月掩星的机会在 澳大利亚 Parkes 64m射电望远镜上准确测量了 3C 273 的位置，发现它是一个双源，中间是一个13等星的蓝星体，具有发射线。1963年，施密特用Palomar山的5m望远镜进一步观测3C273，准确地测出了其发射线的位置。他在一次谈话中告诉作者，他用了6周的时间去思索这些发射线究竟是什么，最终清楚了它们就是氢 巴尔 末线和 电离 氧的 谱线 ，只不过向红端的方向位移了许多。至此， 类星体 宣告发现。
脉冲星
1932年，英国卡文迪什实验室宣布发现了 中子 。发现中子的消息传到 丹麦 首都 哥本哈根 ，立即引起了以著名物理学家 尼尔斯·玻尔 为首的哥本哈根学派年轻物理学家们的极大兴趣。后来成为 苏联 著名理论物理学家的 列夫·达维多维奇·朗道 ，当时只有24岁，大胆地提出一个设想，认为有可能存在主要是由中子组成的物质，例如由中子组成的星体—— 中子星 。
1967年，寻找中子星的工作经历了30多年的曲折、徘徊之后，在一项通过 太阳风 研究星际闪烁的观测中，意外地取得了突破。英国 剑桥大学 专门设计了一架射电望远镜本用于研究太阳风的闪烁，但在投入使用后仅1个月，便发现了一个奇怪的闪烁源。它远离太阳风的区域，半夜里仍不停止。其发出的讯号很有规律，每隔1.337s跳动1次。经过几周的观测，又接连发现3个类似的 天体 。1968年2月， 英国 《自然》杂志公布了这一结果，取名 脉冲星 （Pulsar）。
脉冲星的脉冲周期是星体的自转周期。只有 列夫·达维多维奇·朗道 预言 的 中子星 ，才能在这样的自转速度下不至于瓦解。原来，脉冲星就是快速自转着的中子星。
星际分子
从1937年起，证认出星际间存在着甲川（CH）、 氰基 （CN）和甲川离子（CH+），但当时普遍认为，星际分子的存在很困难，即使形成，也会被 恒星 的紫外辐射瓦解。 苏联 天文学家史克洛夫斯基和美国科学家 汤斯 曾预言多种星际分子和它们的 谱线 波长；但由于星际分子的谱线都落在射电 波段 ，且集中在毫米波，因此，直到50年代后期，当射电天文发展起来以后，它们才首次被发现。
氢是 宇宙 中最丰富的元素，但分子氢的发现却推迟到1970年，通过火箭上的紫外观测予以证实。实际上，氢分子在宇宙中的数量并不比氢原子少，其总量大体相当。氢分子往往集中在稠密的气体云中，而氢原子则均匀地分布。
已发现的星际分子达100种以上。在这些星际分子中，特别令科学家感兴趣的便是星际 有机分子 。已发现的最复杂的 有机化合物 是HC 11 N，称为 氰基 癸五炔。有机分子的起源与宇宙中生命的起源有着密切的联系。有人曾创建了地面上的实验室，去模拟 宇宙 中星际分子的形成过程。星际分子的研究对于了解 天体 的起源和演化过程有着特殊的意义。
宇宙背景辐射
α-β-γ理论还 预言 了存在着5K左右的宇宙 背景辐射 。从1964年开始， 苏联 天体物理学家泽尔多维奇，以及皮普斯、 弗雷德·霍伊尔 、 泰勒 等对宇宙的 核合成 理论进行了更深入的研究，澄清了α-β-γ理论中的一些问题，认为有可能存在着残余的宇宙背景辐射。
美国贝尔实验室的2位工程师彭齐阿斯和威尔逊无意中做出了惊人的发现。他们从事 微波 通讯工作，使用一架约7m口径的喇叭形反射天线与 回声 号 人造卫星 进行通讯联系。他们使用的通讯波长是7.35cm。天线的地面噪声为300K，当对准天空测量时，其噪声水平应该达到0.3K，也就是说可以忽略不计，但是当他们对准 银河 平面测量时，却发现存在着6.7K的剩余辐射，而且这种辐射与方向无关。经过1年的反复测量，扣除大气吸收以及天线自身的影响，确认仍然存在着3.5K的来自 宇宙 的辐射。1965年，他们在《天体物理学》杂志上发表了一篇非常谨慎的短文，题目是《在4080MHz频率上对天线过热温度的一次测量》。这篇不足1000字的文章获得了1978年度的 诺贝尔物理学奖 。
在波长λ>1mm的 微波 波段 进行的观测表明，它与黑体谱符合得十分理想。由于黑体温度只有3K左右，在 短波 的辐射更加微弱。在λ<1mm的亚毫米波段，以及红外波段都相继进行了观测，虽然各自获得的数据有所差异，但一致的结论是，存在着来自 宇宙 的剩余的黑体谱辐射。后来，将当初的微波 背景辐射 改为宇宙背景辐射。
引力波
脉冲 双星 的周期变率虽然证实了 引力 辐射的存在，但是引力辐射的 物理性质 远没有解决。根据 广义相对论 ，引力辐射应该通过 引力波 来传播，理论上引力波应该是不可见的，以 光速 传播。其穿透本领极强，甚至对于 地球 都应该是透明的。引力相互作用是4种相互作用中最弱的，1个 质子 和1个 电子 的引力相互作用只有电相互作用的10-40。
1960年 马里兰大学 的韦伯设计了一组巨大的 铝棒 天线，其 共振 频率在1000Hz以下，首先对准银河系的中心进行探测。韦伯认为，他的仪器应该能探测到相当于500个 太阳 的 引力波 辐射。根据几组 探测器 的同时性，韦伯宣布探测到了来自 宇宙 的 引力波 ，但是韦伯的结果并没有得到公认。 美国 的LIGO引力波探测器在2015年9月14日终于首次直接探测到了 双黑洞 合并的引力波信号。
未来研究方向
1宇宙的起源和演化过程；2宇宙中的 暗物质 、 反物质 和“神秘”物质；3星系的形成；4活动 星系 核的物理本质；5γ暴的起源；6恒星的物理结构和核反应过程；7太阳的产能机制和中微子问题；8元素的合成和生命的起源；9探索新的物理规律；10开拓人类的 生存空间 。
重要意义
开辟通往宜居世界的道路，旨在持续开展类地 系外行星 的识别和 表征 等工作，最终获得潜在宜居世界的图像和光谱。
打开研究 动力学 宇宙 的新窗口，旨在将 天基 和 地基 的时间分辨多波长电磁观测与非电磁信号相结合，研究黑洞、 中子星 等 致密天体 的性质及与其成因相关的爆发和并合事件，同时利用其 引力波 特征了解宇宙诞生之初发生了什么。
揭示 星系 增长的驱动力，通过研究可以演化为星系的脆弱宇宙气体网络的性质以及气体如何聚集和驱动 恒星形成 ，从而改变对星系起源和演变的理解。