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天文學（Astronomy），是一門研究天體和天文現象的自然科學，主要研究天體的分布位置、運動規律、化學組成和物理狀態以及天體和宇宙的結構、起源及演化。天文學的研究對象包括太陽、行星、矮行星、衛星、小行星、彗星、流星體、恒星、星團、星云等天體，以及超級月亮、流星雨、太陽黑子、超新星爆炸、伽馬射線暴、脈沖星和背景輻射等天文現象。按照研究方法，天文學可分為天體測量學、天體力學和天體物理學。

天文學是最古老的自然科學之一，歷史記載中的早期文明對夜空進行了系統的觀測。近代天文學是以波蘭天文學家尼古拉·哥白尼（Copernicus）在16世紀30年代后期建立的日心體系為起點，哥白尼學說改變了人們幾千年來以為地球是宇宙中心的觀念。在此過程中，精于天文觀測的天文學大師第谷·布拉赫（Tycho）、創立行星運動定律的約翰尼斯·開普勒（Kepler）和發明天文望遠鏡的伽利略·伽利萊（Galileo）起了重要作用。開普勒行星運動的三條定律成為經典天文學的奠基石。英國物理學家牛頓（艾薩克·牛頓）提出的萬有引力定律則在理論上揭示了行星乃至所有天體運動的規律。18世紀和19世紀中葉，天體力學的建立是此時期天文學巨大成就。到19世紀20世紀初，以阿爾伯特·愛因斯坦（Einstein）為代表的新一代物理學家進行了物理學的第三次革命，創立了相對論和量子力學，開始了現代天文學的進程。20世紀50年代，人造衛星上天，空間技術問世，使人類得以觀測到所有波長的電磁輻射，從而進入到全波段天文學時代。21世紀開始進入航天時代，天文學的普及和天文學高精尖理論的突破則是主要方面。

天文學是人類認識世界、認識宇宙的科學，對人類生存和社會進步具有重要的意義。天文學對人類世界觀產生重要影響，并應用于人類探索自然、授時、編制歷法、測定方位、天象預報、人造天體發射、導航等多個方面。天文學科學和技術發展的成果，特別是在光學和電子學等領域，已廣泛應用于人們日常生活，如個人電腦、通信衛星、移動電話、全球定位系統、太陽能電池板和磁共振成像掃描儀等。

詞源

天文學的英文拼寫為astronomy，古法語為astronomie，拉丁語為astronomi。它們都來源于相同的希臘語詞根astro-(astron)和nomos。astro -(小行星100000)的含義是星、天體，如astrogator（n.宇航員)。Nomos的含義是定律，如nomothetic（a.制定法律的，以法律為依據的）。因此，天文可以理解為日月星辰諸天體的定律或規律。天文物理學的英文為astrophysics。

中國作為文明古國，在遠古就開始了對天文學的研究，“天文”這個詞也很早就產生了。在漢代許慎的《說文解字》中，對天、文兩個字給出了如下的解釋：“天，至高無上”，“文，錯畫也"。合起來即表示：天文是天體在天空交錯運行所呈現的景象，即天象。

歷史

古代起源

中國、埃及、印度、巴比倫、希臘和羅馬等文明古國是世界上天文學發展最早的國家。人類最古老的文字，如考古出土的中國殷墟的甲骨文和古巴比倫泥版書上的楔形文字，都曾記載了不少有關天文方面的內容。豐富的天象觀測記錄是世界各文明古國對天文學發展的重要貢獻，古代的天文觀測方法、天球坐標系的創立、星座的劃分以及歷法等都被現代天文學所繼承和發展。

希臘人繼承了埃及和巴比倫的文化遺產，在天文學方面做出了重要貢獻。從公元前6世紀到公元2世紀近800年間，希臘天文學先后出現過四大學派。

愛奧尼亞學派（公元前6~前5世紀）：這是由居住在小亞細亞半島西端的泰勒斯創立。該學派的主要貢獻是把巴比倫和埃及的天文學知識介紹到希臘。相傳泰勒斯成功地預報過一次日食，據現代天文考證，此次日食的時間應該是公元前585年5月28日。

畢達哥拉斯學派（公元前6~前4世紀）：該學派由定居在意大利南部的著名幾何學家畢達哥拉斯創建。畢達哥拉斯斷言是大地為球形。另一名學者德漠克利特提出了著名的原子學說，他認為萬物都由原子組成。

柏拉圖學派（公元前427~前347年）：該學派是由雅典哲學家柏拉圖創立的。他接受畢達哥拉斯學派關于圓是最完美圖形的觀點，并用這個觀點解釋宇宙。同時，這個學派的著名天文學家歐多克斯設想了地球是萬物中心的同心圓理論。柏拉圖的學生亞里士多德支持歐多克斯的理論，并認為在恒星之外，還有一層統帥所有天球運動的宗動天。他堅持認為大地是靜止不動的。在以后的兩千年間，這個理由一直是地球不動的重要證據。

亞歷山大學派（公元前332~前146年）：該學派的第一位天文學家阿里斯塔克斯獨自主張日心說。他認為太陽和恒星靜止不動，而地球和五個行星則都以太陽為中心運轉。他還用三角法測量過太陽、月球和地球之間的距離及它的大小。這些結果雖然不準確，但開創了人類用科學方法研究天體距離和大小的先河。

后來，居住在亞歷山大的埃拉特色尼利用基本位于同一子午線上的塞恩（今阿斯旺）和亞歷山大在夏至日正午太陽高度的差別，以及兩地間的距離，算出地球的大小，得知地球周長39600千米，與實際值非常接近。

公元前2世紀，“古代方位天文學的奠基人”喜帕恰斯通過自己的觀測和對前人觀測資料的分析，算出一年較準確的長度，發現了歲差，編制了包含有1080個恒星的星表，對以后西方天文學的發展起了很大的作用。

在喜帕恰斯以后的300年中，工作在埃及亞歷山大的天文學家克羅狄斯·托勒密寫出《大綜合論》（后來阿拉伯人譯成為《天文學大成》），概括了希臘時期天文學的所有成就。托勒密的宇宙體系仍以地球為中心，用等速圓周運動來說明行星的運行。托勒密的著作和他的地心宇宙體系，在以后的一千多年內，被歐洲和西亞人一直奉為經典。

中國天文學的起源可追溯到久遠的年代。在約6000年前的西安半坡文化遺址中，可以看到房舍和墓葬都有一定的取向，說明當時的人已懂得天文定向知識。約4500年前的陶尊上，都有表示日出的陶博吾。據史書所載，五帝時代（公元前26~前21世紀）已有一套觀察日月星辰定季節的辦法，那時一年的長度定為366天，以閏月的辦法調整月份和季節的關系。

據考證《夏小正》是記述夏朝（公元前21~前17世紀）的歷書。該書按12個月的順序記述每月的星象、氣象、物候以及相應的農事活動。商朝時代（公元前17~前11世紀）的天文學已相當發達。除用回歸年紀年，朔望月紀月外，還采用干支紀日。

春秋戰國時期（公元前770~前222年）是中國古代天文學形成時期，在《春秋》和《左傳》里有豐富的天文資料記錄。這個時期天象觀測的對象廣，內容多，有的還達到精確的數量化程度。如公元前687年的石雨記載，是天琴座流星雨的最早記錄；所記公元前644年落在宋國的石隕石，是世界上最早的隕石記錄等。戰國時期就已經有齊國甘德著《天文星占》8卷，魏國石申著《天文》8卷等專門天文著作，并編制了含有一百多顆星的赤道坐標星表。

秦漢時期（公元前221~公元220年）形成了具有中國特色的完整的天文學體系。天文機構和天文研究始終受到皇家的監視和扶持，當時有豐富而連續的天象記錄，且可信度非常高，為全世界提供了罕見的天文學史料。曾做過太史令的司馬遷總結了漢代及其以前的天文學成就，在他的《史記》里有《歷書》和《天官書》兩部文學專門篇章。

三國到隋唐五代十國時期（220~960年），中國天文學研究在歷法、儀器和天文實測等方面都有不少創新和發現。在歷法上，南朝何承天于公元443年編撰的元嘉歷，第一次按實際合朔安排朔日，由定朔法代替平朔法。公元604年隋朝劉焯由定氣法代替平氣法，使二十四節氣安排更為合理。

從宋初到明末（960~1600年），天文學取得了許多重要成就。首先，在宋代所記錄的兩次超新星，1006年發生在豺狼座的超新星，及1054年發生在金牛座的超新星，至今人們還在研究它們的射電源。宋元祐七年蘇頌、韓公廉制造了可自動演示天象和自動守時、報時的水運儀象臺，還制造了人可進入內部觀看的渾天象，此是現代天文館演示天象的先驅。宋代的沈括創造了中國僅有的一部陽歷歷書，即十一氣歷（但未實行）。孛兒只斤·忽必烈十五年（1220年）耶律楚材在西亞尋斯干城（今撒馬爾），發現當地月全食時刻與大明歷所推算的時刻不同，在中國首次提出“里差”概念，即“地理經度”。

明末到第一次鴉片戰爭（1600~1940年），中國學者逐漸接受西方天文學的研究成果。明朝萬歷年間，徐光啟與精通天文的意大利傳教士利瑪竇結識，合作翻譯了《幾何原本》《測量法義》，把西方科學知識最早傳入中國。明朝政府命徐光啟等人組成歷局，于1634年完成《崇貞歷書》，這是中國第一部引進歐洲天文學基礎的歷書（但未曾頒發）。后被湯若望把這部書刪減后更名為《西洋新法歷書》，進呈清政府，依它編制《時憲歷》頒發后，一直沿用到清亡。

1669年，清政府命傳教士南懷仁任欽天監監正，他先后主持制造的8件天文儀器設置于北京古觀象臺，并寫成《靈臺儀象志》。1760年法國傳教士蔣友仁把尼古拉·哥白尼學說介紹到中國，在他獻給乾隆的《坤奧全圖》中介紹了該學說。

近代天文學

經典天文學

近代天文學是以波蘭天文學家哥白尼在16世紀30年代后期建立的日心體系為起點，哥白尼學說成為近代天文學的基石，開辟了經典天文學的道路，為近代天文學發展奠定了基礎。

波蘭天文學家哥白尼（1473~1543年）斷定托勒密地心體系是錯誤的，他認為居于宇宙中心的不是地球而是太陽，包括地球在內的行星都圍著太陽運轉。地球不僅繞太陽公轉，而且還繞軸自轉。1543年，他出版了《天體運行論　影響世界歷史進程的書》。后來，布魯諾·鮑威爾推廣了日心說模型。

丹麥學者第谷是第一位對日心說的確立作重大貢獻的人。1572年他發現仙后座的一顆新星，后來被稱為“第谷超新星”，是銀河系中一顆十分罕見的超新星。第谷對恒星和行星進行了長期的觀測，編制出了一部列有777顆恒星坐標的星表。

出生于德國的開普勒（1571~1630年）繼承了他的老師第谷的大量觀測資料，揭示行星運動的秘密。他打破前人誤認為天體只按圓形軌道運動的錯誤觀念，總結出行星運動的三大定律，即開普勒定律，而被譽為“天空立法者”。

17世紀以前，人類都是憑肉眼直接觀測來研究天體。與約翰尼斯·開普勒在同一時代的意大利近代實驗科學的奠基人伽利略·伽利萊（1564~1642年）最先用自己制造的望遠鏡進行天文觀測，1609年他首先觀測月亮，后來又觀測別的天體，發現了土星的光環、木星的四顆衛星以及發現銀河實際是無數恒星聚集的結果。因而后人把伽利略譽為“天空克里斯托弗·哥倫布”。

英國近代史上科學家牛頓（1642~1727年）利用自己創立的微積分理論，在伽利略、開普勒等人觀測和實驗的基礎上，找出天體之間運動的原因（即相互關系），建立起完整的牛頓力學體系。他的運動三定律和萬有引力定律，為天體力學的發展奠定了基礎。同時，牛頓發現并正確解釋了白光通過三棱鏡被分解為七色光譜線，這一發現為后來天體物理學誕生創造了條件。牛頓還第一個研制了反射望遠鏡，這種牛頓望遠鏡在天文觀測上仍有極大的優越性。

經典天體物理學

18~19世紀是經典天體物理學階段，是近代天文學的發展時期。牛頓的引力理論滲透到天文學研究的各個領域和課題中，形成了一門新學科“天體力學”，這是18世紀和19世紀中葉天文學最輝煌的成就。

1838年德國的天文學家白塞爾用三角法測到天鵝座61號星的周年視差，因而也就知道了恒星的距離。在此前后，俄羅斯的瓦西里·斯特魯維、英國的亨得森也測到了其他恒星的距離，困擾天文界幾百年的一個重大問題終于被解決了。

由于觀測精度的提高，在發現歲差和章動的同時，人們還發現行星運動并不完全遵循開普勒定律所給出的軌道運行，而是有微小的偏差，由此發展了攝動理論，使太陽系天體的許多運動特性得到說明。為攝動理論做出過貢獻的人很多，其中皮埃爾-西蒙·拉普拉斯的《天體力學》中，他給出了天體運動計算的數學表達式，“天體力學”一詞第一次被使用。

天王星、海王星和小行星的陸續被發現。同時，哈雷（1656~1742年）通過對24顆彗星軌道的認真計算，于1705年預言，其中有一顆將在1758年再度出現，后這顆彗星按時而至，被稱作“哈雷彗星”。19世紀中期以后，人們根據光譜分析知道了太陽的化學組成，測得了太陽的溫度，但太陽上的能源在當時還是未知。

被譽為“恒星之父”的英國著名天文學家威廉·赫歇爾（1738~1822年）被認為是近代恒星天文學的開創者，其用自己研制的當時最先進的中型和大型望遠鏡觀測，發現了太陽在恒星空間的運動，恒星世界確實存在著互相繞轉的雙星。他還記錄了2500個星團和星云。

自19世紀發明子午儀之后，恒星天文學迅速發展。照相技術用于天文觀測以后，阿根廷的科爾多巴天文臺把天文觀測擴展到南極，20世紀初發表的星表中包括10等以內的恒星多達58萬顆。

19世紀中期前后，人們把分光學（光譜分析）、光度學和照相術用于天文學研究。隨著光譜理論的建立，很快從所拍攝到的天體光譜中，認證出太陽、恒星以及其他一些天體上的化學元素；又根據天體的光度知道了它們的溫度以及密度等物理性質。天體物理學隨之誕生。

現代天文學

到19世紀末20世紀初，以阿爾伯特·愛因斯坦為代表的新一代物理學家進行了物理學的第三次革命，創立了相對論和量子力學。物理學經歷了以經典物理到現代物理過渡的發展階段，天文學特別是天文物理學也隨著物理學的發展產生飛躍，20世紀初開始了現代天文學的進程。

1915年愛因斯坦完成了廣義相對論。為了驗證廣義相對論的理論，愛因斯坦提出了三個可以用天文學觀測來驗證的廣義相對“效應”。天文學家驗證了這三個效應。廣義相對論也由此成為一門新興的天文學學科。第一個效應是水星近日點附加的進動。第二個效應是光線在太陽引力場中彎曲。第三個效應是引力紅移。廣義相對論還有一個重要的推論就是引力波的存在，這一預言也由對1974年發現的射電脈沖星雙星系統的長期觀測得到了驗證。

對太陽系的探測

20世紀50年代以后，射電觀測已成為研究太陽的常規項目，60年代以后又多次發射軌道太陽觀測臺，為深入了解太陽活動以及研究日地關系提供了豐富的資料。

20世紀對太陽系天體的光學觀測和研究取得了顯著成就，最主要的是1930年發現冥王星，1978年找到了它的一顆衛星。

恒星研究

對大量恒星和星云的測光和分光研究，確定了各種恒星的物理量：光度、質量、大小、表面溫度、表面壓力、自轉速度、化學組成以及內部結構等。還通過這些物理量之間的某些關系，找到了除三角法之外測定天體距離的新方法。從而將測距范圍由幾百光年擴展到幾千乃至幾萬光年。

20世紀初，根據恒星的亮度、顏色和光譜型之間的統計關系，繪制出一幅表示恒星絕對星等（光度）和光譜型（溫度）的坐標分布圖，被稱之為“赫羅圖”，后人一直把它作為研究恒星演化的工具。1938年美國物理學家貝特指出，赫羅圖中主序星的能源來自于氫變氦的熱核反應，成功地闡明了太陽和恒星的產能機制。

銀河系和河外星系

人們在20世紀初認為銀河系較大，太陽在銀心。30年代后，才重新訂正了銀河系模型的大小和太陽的真實位置。通過對恒星運動的分析，發現了銀河系的自轉運動以及銀河系的其他特征。

現代天文學的重要特征之一，便是表現在對河外星系的認識上。1924年前后，被譽為“星系之父”美國天文學家哈勃空間望遠鏡（Hubble）發現仙女座星云是由一顆顆恒星組成，從此“宇宙島”一河外星系概念才被確認。哈勃空間望遠鏡根據星系中造父變星的周光關系和超巨星的絕對星等，將測量星系的距離擴展到千萬光年，根據河外星系的絕對星等和多普勒效應理論，又把測量距離的范圍擴展到數億、百億光年計。

宇宙演化學

20世紀在宇宙演化學方面的研究非常活躍，繼星云說之后，曾提出過許多假說。30年代提出的大爆炸宇宙學最為人矚目。該學說的許多觀點，被現代天文學研究成果所證實。如河外星體的譜線紅移、各種天體上的氦豐度、3K微波背景輻射、天體的年齡等，都支持大爆炸宇宙學的理論，因此，它被越來越多的人所接受。

其他發展

20世紀50年代人造衛星上天，空間技術問世，使人類得以觀測到所有波長的電磁輻射，從而進入到全波段天文學時代。1961年，蘇聯航天員尤里·加加林乘坐宇宙飛船沖出地球大氣層，實現了人類首次太空飛行。1969年，美國航天員實現了人類首次登月飛行。1970年4月24日，中國自行設計、制造的衛星一號“東方紅”一號發射成功。從1972年起，人類開始發射一些能飛出太陽系的探測器，用以探索地外文明。其中有的探測器現已到達太陽系的邊緣。

瑞典天文學家阿爾文為了研究太陽上多種多樣的磁場變化過程，發展了磁流體力學理論，導致一門新學科的誕生，他也因此榮獲了1970年的諾貝爾物理學獎。

1967年英國天文學家安東尼·休伊什教授和他的研究生喬斯林·貝爾女士一起發現了脈沖星，找到了物理學家預言了30多年的中子星，并榮獲1974年諾貝爾物理學獎。1974年，美國天文學家J.H.泰勒和他的學生拉塞爾·赫爾斯發現射電脈沖雙星，并且確認了這個在軌道運動中的中子星的引力輻射的存在，因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。阿爾伯特·愛因斯坦預言的引力輻射終于在半個多世紀以后得到了第一例證據。

各類天體中具有各種各樣但不盡相同的元素及同位素，美國天文學家福勒解決了恒星元素合成問題，使他榮獲1983年度的諾貝爾物理學獎。

太陽和恒星上的熱核反應過程產生了多種元素，也產生大量的中微子。美國的雷蒙德·戴維斯和日本的小柴昌俊因探測太陽中微子的開創性成就，榮獲了2002年諾貝爾物理學獎。

21世紀是航天時代，天文學的普及和天文學高精尖理論的突破則是主要方面。

2001年4月25日中國成立國家天文臺，總部設在北京。這是中國天文學發展進入一個新階段的里程碑。

2003年10月1日，中國成功地發射了第一顆載人飛船“神舟五號”，將中國航天員楊利偉送上太空，圍繞地球運行14圈，并于次日安全返回。2005年10月中旬，中國成功地發射了第二顆載人宇宙飛船“神舟六號飛船”，實現了二人多天的太空飛行，并安全成功返回地面。2008年，中國又成功地發射了第三顆載人宇宙飛船“神舟七號飛船”，將三名航天員送上太空，實現了太空行走。

2011年9月29日和11月1日，中國成功發射了“天宮一號”空間實驗室和“神州八號”宇宙飛船，并于11月3日成功實現了這兩個航天器的安全對接。

2015年美國天文學家終于捕捉到黑洞并合產生的引力波信號，2016年中國建成口徑500米單面射電望遠鏡。

研究對象

天文學是研究天體和天文現象的自然科學，天文學研究對象涉及宇宙空間中的各類天體和其他宇宙物質以及整個宇宙，包括觀測所及的時間、空間和物質的總和，以及宇宙的結構和發展；某個具體的天體的位置、分布、運動、結構、物理狀態（如溫度、壓力、體積等）、化學組成和演化規律等；處于行星間和星系間的彌漫物質和各種輻射流以及作為物質存在形式的電磁場和引力場等；以及超級月亮、流星雨、太陽黑子、超新星爆炸、伽馬射線暴等天文現象。

天文學的研究對象往往具備地面實驗室難以達到的條件，極端的冷與熱、緩變與爆發、稀薄與密集、極高能量、極強磁場、極大引力和極長時標的演化，提供人類發現與驗證自然法則的無法仿真的場所。

宇宙

宇宙：宇就是空間，宙就是時間。宇宙就是客觀存在的物質世界，是全部時間、空間和所有天體的總稱。

宇宙空間：宇宙空間是指地球大氣層外廣袤無垠的空間，即通常所稱的太空。

天體及天文現象

天體：是指太空中的一切實體，既包括在太空中運行的日月星辰等自然天體，又包括人造衛星和空間站那樣的人造天體。

天文學研究天體的位置、分布、運動、結構、物理狀態、化學組成、相互關系及演化規律，以及超級月亮、流星雨、日全食、太陽黑子、超新星爆炸、伽馬射線暴、脈沖星和宇宙微波背景輻射等天文現象。

天體的結構可分為三個層次，即太陽系、銀河系和總星系。這三個層次依次增高，太陽系包含在銀河系內，銀河系和其他河外星系包含在總星系中。具體為：

(1)太陽系中的天體包括太陽、行星、矮行星、衛星、小行星、彗星、流星體等。

(2)銀河系中的天體包括恒星、星團、星云等。

(3)在銀河系外還有無數與銀河系相似的河外星系及其所組成的星系團和超星系團等。

研究方法

天文學是一門觀測學科。天文學主要通過觀測天體發射到地球的輻射，發現并測量它們的位置，探索它們的運動規律，研究它們的物理性質、化學組成、內部結構、能量來源及其演化規律。隨著航天技術的發展，人類才開始主動發射飛船開展某些較近天體的探測，而更多的仍靠觀測。天文學理論研究則主要采用相對論力學，通過理論推理得到結論的一種綜合分析方法。

天文研究的三個層次

天文研究分為三個層次：一是觀測發現，獲取基本信息；二是信息發掘，建立經驗規律；三是理論解釋，創造理論模型，并推算未知情況，再經新的觀測檢驗，修正理論或創建新理論。

天文觀測

天文觀測的事實資料是天文研究的依據和證明論認知的試金石。天文學通過研制新的儀器，創建其獨特的觀測技術方法，獲取新的更準確的觀測資料，促使天文學及有關科學技術的深入發展。

從古代到中世紀，由于生產和生活需要確定季節和編制歷法，人們用肉眼觀察日、月、行星相對于恒星的運行經驗規律，運用幾何、三角等知識和機械制造技術，研制更優良儀器，提高觀測精度和改進歷法。

1609年，伽利略·伽利萊繼荷蘭人制成望遠鏡后，研制出了天文望遠鏡以觀測星空。19世紀，隨著分光術、測光術和照相術用于天文觀測。20世紀30年代人們研制出多種射電望遠鏡。現代天文學已進入了全電磁波段觀測的時代。各個波段望遠鏡的發展吸取了當代先進的尖端技術，同時也推動了技術的發展。已經建成以地面為基地的大型光學和射電望遠鏡，及以太空為基地的X射線、射線、紫外、紅外望遠鏡相結合的全波段觀測體系。

具體的方法可分為：

（1）觀測方法：主要借助于光學望遠鏡和射電望遠鏡來獲取宇宙的信息。

（2）實驗方法：它是觀測手段發展到高級階段的產物，如人造衛星、登月飛船航天飛機、空間探測器、太空望遠鏡、空間站等都是人類用于探測宇宙的實驗手段。

理論研究

由于天體的空間尺度和時間過程、能量形式和能量絕對值等遠遠超出了地球實驗室所能提供的條件，所以天文學的研究方法和手段與其他學科不同，天文學采用相對論力學，以從理論上解釋上述宇宙信息的含義為目的，主要是指利用數學、力學、物理學和其他學科的成果，通過理論推理而得到有關天體的科學結論的一種綜合分析方法。

學科分支

天文學可按照研究方法、觀測手段和研究對象來分類。

按照研究方法，天文學大體可分為三個重要分支：天體測量學、天體力學和天體物理學。

按照觀測手段來說，可分為光學天文學、射電天文學、空間天文學、中微子天文學、引力波天文學等。

按照研究對象則細分為很多分支學科，如地外文明、太陽系及行星系統、太陽、恒星、銀河系、河外星系、宇宙學。

天體測量學

天體測量學是天文學中最先發展起來的一個分支，主要研究和測定天體的位置和運動，建立基本參考坐標，確定地面點的坐標，測量時間等。

按觀測的方式不同，天體測量學有照相或電荷合器件(CCD)天體測量、射電天體測量、紅外天體測量、空間天體測量。

按研究方法可分為：

天體力學

由于高精度需要，產生了以廣義相對論為基礎的相對論天體力學。天體力學主要研究天體的力學運動和形狀。由于多體問題的力學求解非常困難，所以天體力學主要考慮太陽系的天體運動。例如用攝動理論和數值方法編算天文年歷。

根據研究的對象、范圍和方法，天體力學又可分為下列二級學科：

天體物理學

天體物理學是應用物理學的技術、方法和理論，研究天體的形態、結構、化學組成、物理狀態和演化規律的一門學科。天體物理學研究領域寬廣學科分類復雜，這種劃分并非十分嚴格，許多研究內容實際上可同時歸屬到幾個學科分支中。

按學科性質：可分為實測天體物理學和理論天體物理學;

按觀測波段：可分為光學天文學、射電天文學、紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學、γ射線天文學，統稱為全（電磁）波段天文學；

按研究對象：又分為太陽物理學、太陽系物理學或行星物理學或行星科學、恒星天文學、恒星物理學、星際介質物理學、星系天文學、宇宙學、宇宙化學、天體演化學等分支學科。新興起的空間天文學、粒子天體物理學（包括宇宙射線和中微子），核天體物理學及引力波天文學也是它的分支。

宇宙學

宇宙學從整體的角度研究宇宙的結構和起源演化。現代宇宙學包括密切聯系的兩個方面：

觀測宇宙學：側重于發現大尺度的觀測特征；

物理宇宙學：側重于研究宇宙的運動學和動力學以及建立宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型。

引力波天文學

引力波天文學是觀測天文學在20世紀中葉以來逐漸興起的一個新興分支，與傳統天文學用電磁波觀測各種天體不同，引力波天文學則通過引力波觀測發出引力輻射的天體。由于引力相互作用與電磁相互作用相比強度微弱得多，直接觀測引力波需要利用當今最高端的科技手段。人們用引力波搜集可探測的引力波源（諸如白矮星、中子星、黑洞組成的雙星系統，超新星事件，早期宇宙的形成）的觀測資料。它實際上也包括有關的一些理論問題研究，從而形成引力波天體物理學。

天體演化學

天體演化學研究各種天體以及天體系統的起源和演化，也就是研究它們的產生、發展和衰亡的歷史。天體的起源是指天體在什么時候，從什么形態的物質，以什么方式形成的；天體的演化是指天體形成以后所經歷的演變過程。按照不同層次，天體演化可分為太陽系起源和演化（太陽系演化學）、恒星起源和演化、星系起源和演化、宇宙起源和演化。

天文學史

天文學史研究人類認識宇宙的歷史，探索天文學發生和發展的規律，也是自然科學史的一個組成部分，可細分為中國天文學史，世界天文學史，以及各地區、民族或國家的天文學史。

與其他學科的關聯

數學、物理學、化學、天文學、地球科學、生命科學被認為是現代自然科學的六大基礎學科。天文學與其他學科之間有著廣泛的相互滲透、相互促進發展的關系，其中數學和物理學尤為突出。另外天文學在地理學、歷史學等方面也有重要作用。

數學和物理學

現代天文學的理論研究與物理學和數學的關系密切，物理學是天文學理論研究的基礎，并借助數學進行理論演算；天文學又多次反過來為物理學、數學開辟新的研究。

天體力學的奠基者牛頓、萊昂哈德·歐拉(L. Euler)、讓·達朗貝爾(J.L.R.d'Alembert)、約瑟夫·拉格朗日(J.L.Lagrange)、皮埃爾-西蒙·拉普拉斯(P.S.Laplace)、高斯(J.G.F.Gauss)、哈密頓(W.R. Hailton)、亨利·龐加萊等同時也是數學大師。

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論是近代物理學的理論基礎之一，但廣義相對論幾個方面的驗證都在天上：弱引力場中的光線偏轉、引力紅移、雷達回波延遲、行星近日點進動和引力波。天體物理學與現代物理學理論及儀器技術的發展關系密切，也是當代天文學成果最多的一個分支。20世紀60年代的天文學四大發現，關于黑洞的理論和探測、恒星演化和宇宙論的研究都屬天體物理學的范疇。有些物理學家認為，天體物理學也是天文學與物理學的邊緣學科。

1964~2017年，諾貝爾(A. B. Nobel)物理學獎有12個年度15項天文課題的24位科學家獲獎，另有一位加拿大赫茲堡天文臺的物理學家獲得1971諾貝爾化學獎，獲獎項目都是天體物理學的課題。

地理學

在地理學方面，天文學為解釋重要地質現象提供了新的思路。比如全球性冰期成因的研究。最近7億年間出現過三次大冰期，雖然具體機制目前尚不清楚，但一般認為與天文因素有關。其他如恐龍滅絕也被認為與天文有關。

地理學也為天文學研究提供了支持。比如地球自轉變慢，就是通過古代珊瑚化石的研究證實的。珊瑚每天周期性地分泌碳酸鈣，在身上形成一條條"日紋”，稱為“年帶”。3.2億年前的珊瑚化石，每個“年帶”含有400條“日紋”，表明那時地球自轉比現在快得多，一年有400天，這與理論推算的結果十分吻合。

歷史學

在歷史學方面，利用天象發生的精確周期性，結合遠古文獻記載，可以確定出幾千年前的年代，這就是所謂“天文年代學”。中國的國家九五重大科研項目“夏商周斷代工程”許多重要時間點就是通過這種方法確定的。

其他學科

現代天文學研究還促進現代光學、信息科學、計算機科學精密儀器與新材料新工藝的發展，許多尖端技術都應天文學的需要而產生，又在天文學研究中首先得到應用。

應用及意義

天文學是人類認識世界、認識宇宙的科學，同時對人類生存和社會進步也具有極其重要的意義。天文學應用于人類探索自然，授時，編制歷法，測定方位，天象預報、人造天體發射、導航等多個方面。天文學科學和技術發展的成果，特別是在光學和電子學等領域，已廣泛應用于人們日常生活，如個人電腦、通信衛星、移動電話、全球定位系統、太陽能電池板和磁共振成像掃描儀。

世界觀的影響

在歷史中人類一直利用天文決定何時種植莊稼，并回答人們從哪里來以及如何到這里的問題。天文是一門學科，讓人類打開視野，重塑人類如何看待世界。當尼古拉·哥白尼宣稱地球不是宇宙的中心時，引發了一場革命，宗教、科學和社會都必須適應這種新的世界觀。

天文學一直對人類的世界觀有重大影響。早期文化將天體與神等同起來，并將它們在天空中的運動視為對未來的預言，現在人們稱之為占星術。隨著人們對世界認識的進步，人們發現自己和對世界的看法與星星聯系在一起。人們在恒星中發現的基本元素，以及它們周圍的氣體和塵埃，與構成人類身體的元素是相同的，這一發現進一步加深了人們與宇宙之間的聯系。