天体物理学
天体物理学的大部分实验数据都是通过观测电磁辐射获得的。冷恒星，如星际物质或星际云，会发出无线电波。大爆炸后，红移后剩下的微波称为宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要一个非常大的射电望远镜。
太空探索极大地拓展了天文学的领域。在太空中观测可以防止观测结果受到地球大气层的干扰。科学家经常利用人造卫星在地球大气层外的红外、紫外、伽马射线、X射线天文学等电磁波段开展观测实验，以获得更好的观测结果。
光学天文学通常使用装有电荷耦合元件和光谱仪的望远镜进行观测。由于大气的扰动会干扰观测数据的质量，因此地球上的观测仪器通常必须配备自适应光学系统，或者由大气层外的空间天文台进行观测，以获得最佳图像。在这个频率域中，恒星的可见度非常高。通过观察化学光谱，我们可以分析恒星、星系和星云的化学成分。
理论天体物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟。天文过程的解析模型往往能让学者更深刻地理解其中的奥秘；计算机模拟可以揭示一些非常复杂的现象或效应及其背后的机理。
在实践中，现代天文研究通常涉及理论和观测物理领域的大量工作。天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质、暗能量、黑洞等天体的性质；以及宇宙的起源和最终命运。理论天文学家也研究了太阳系的形成和演化。恒星的动力学和演化；星系的形成和演化；磁流体动力学；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。
大爆炸模型的两大理论支柱是广义相对论和宇宙学原理。由于最初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验的证实，科学家们证实了宇宙大爆炸模型是正确的。最近学者们创建了一个λλCDM模型来解释宇宙的演化，这个模型涵盖了宇宙膨胀、暗能量、暗物质等概念。
理论天体物理学家和测量天体物理学家分别扮演这个学科的两个主要研究者，他们分两个职业。理论天体物理学家通常扮演研究者的角色，他们大胆假设，不断推陈出新，不太关心数据的验证。假设程度过高时，往往会变成伪科学，在天体物理研究者中一般都是激进派。观测天体物理学家通常精通理论天体物理，在一定程度上，他们也有能力发展自己的理论。他们通常是物理实证主义的实践者，只相信观测数据，经常证伪或证实理论天体物理学提出的假说。一般来说，他们是天体物理研究人员中的保守派。
天文学的历史记载虽然很长，但它与物理学的分离由来已久，直到物理学的发展才开始结合起来。开发的主要目的是日历。
天文学在历史上，中国、欧洲、非洲、中东、印度、美洲都有独立发展的历史，其中中国的历史记载最长，但中国没有发展天体物理学，印度是最早有天体物理学研究的记载。
天文学在古代历史中的发展分支；
中国古代天文学
印度古代天文学
非洲古代天文学
古埃及天文学
非洲部落天文学
近东古代天文学
两河流域的天文学
美索不达米亚天文学
巴比伦天文学
阿拉伯天文学
巴格达学校
开罗学校
西阿拉伯学校
古代美国天文学
玛雅天文学
欧洲古代天文学
希腊古代天文学
还有一种观点认为，非洲的古代天文学，两河流域的天文学，美洲的古代天文学，都是从传说中的中国大陆和亚特兰蒂斯传播过来的，但这种观点缺乏考古证据，无法证伪，但也无法证实。欧洲天文学主要起源于古代非洲天文学和两河流域天文学，现代天体物理学由欧洲天文学建立。
理论天体物理学的起点可以从16世纪算起。大多数理论建议都是基于“物理建模法”进行假设并建立物理模型，而大多数验证方法都是通过“波普尔论证法”进行确认，主要采用“确认”或“证伪”两种方法。大多数理论状态如下:
所有理论都证实目前不存在。
一些理论得到证实，如“广义相对论”和“牛顿力学”。
理论证伪:数量巨大，比如中国的“得过且过论”。
技术力量无法验证理论:比如“夸克星”通常是一个物理假设，在理论中没有得到验证。
理论误判的确认:比如“牛顿力学”就曾经被误判确认。“夸克星”被认为已经找到两年了(SN1987A，约1989-1990)。
伪科学:大量的民间理论，比如一整批基于科幻、科普、神学天体物理学的玄幻理论，通常的特点是理论本身的不一致。比如星际之门的虫洞物理，星际之门的虫洞物理，离实际研究还很远，但是实际的虫洞物理还没有被纳入合格的天体物理理论。实际的虫洞物理学认为，如果虫洞的大小小于一光年，就不可能为太空旅行传送任何东西。打开虫洞颈部的维持能量是“负能量”，而“星际之门虫洞物理”是由“正能量”维持的。“量子虫洞”利用“虚粒子对相互作用”来维持“量子虫洞”的稳态。只有超流体可以穿透“量子虫洞”，而“星际之门虫洞物理学”可以传输任何东西。事实上，这两种说法都没有经过检验。
未经检验的假说:比如“人造月亮假说”和“平行宇宙”与霍金提出的一整套主张有关。因为通俗易懂，看似合理，测试方法需要大量资金，所以民间流传着大量未经测试的假说，被误认为经过测试的正统科学通过流行文化传播开来，成为一门非专业的信徒学科。
绝大多数天体物理理论处于“部分理论验证”和“技术力量无法验证的理论”状态，基本的过滤方法是“验证法”或“证伪法”，每一步都与数据一致。
现代理论天体物理学家使用各种研究工具，包括分析模型和计算机数值模拟。解析模型可以提供每一步是否符合当前或假设的物理规律，而计算机数值模拟主要用于计算物理数学模型中是否存在矛盾。理论天体物理学家致力于发展理论模型，以了解这些模型与观测值之间的拟合程度，这可以使观测者确认或证伪某个模型是否正确，并从模型中选择一个合适的理论来解释观测数据。
一般一个物理模型一旦得到验证，被测天体物理学家就会根据模型输入观测数据。一旦发现一些不一致的地方，就会对理论进行修正，直到所有的观测数据都符合理论预测，这时的理论才可以称为一个被证实的天体物理理论。如果理论和数据之间存在大量的不一致，那么这个理论首先会被限制在一个有限的理论中，直到其他能够完全一致的理论被发展出来，它才会被抛弃。
理论天体物理学的研究范围很广，包括:恒星动力学、恒星演化、星系形成和演化、电磁动力学、广义相对论、宇宙学、弦宇宙学、天体粒子物理、引力波、宇宙生命、宇宙航行和宇宙通信。
现代天体物理学的发展大多采用物理数学的方法。先发展相关理论，再用实测天体物理的技术手段进行验证，用观测数据修正理论缺陷。所以经常看到由于测量天体物理技术的发展，事后发现理论天体物理的说法是荒谬的，完全不符合的，然后彻底修正理论天体物理的模型。测量天体物理学在天体物理学中起着最重要的作用。所以理论天体物理的定义一直是由测量天体物理来进行的，这就使得大部分测量天体物理学家都是由这个领域最保守的精英来经营的。
目前，测量天体物理学掌握着世界上最先进的技术进行研究。随着技术的发展，天体物理的实验数据可以通过各种渠道获得，包括地面上的各种望远镜、空间天文台和空间探测器。此外，由于需求，被观测的天体物理学家是目前建造超级计算机最活跃的人群。世界上大量最先进的超级计算机是由观测天体物理学家建造和持有的，其次是高能物理学家。大多数被观测的天体物理学家也是计算机专家和理论物理学家，他们经常通过全球虚拟天文台的数据交换进行研究。在超级计算领域，很多工作者都是来自被观测的天体物理学家。