اَختَرشناسی علم بررسی موقعیت، تغییرات، حرکت و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی «پدیده‌های آسمانی» ازجمله، ستاره‌ها، سیاره‌ها، دنباله‌دارها، کهکشانها و پدیده‌هایی مانند شفق قطبی و تابش زمینهٔ کیهانی است که منشأ آنها در خارج از جوّ زمین قرار دارد. این رشته با رشته‌هایی مانند فیزیک، شیمی و فیزیک حرکت ارتباط تنگاتنگ دارد و همچنین با رشتهٔ کیهان‌شناسی (پیدایش و تکامل عالم) ارتباط نزدیکی دارد.
اگر فقط ستاره‌ها مطالعه شوند به آن ستاره‌شناسی یا اخترشناسیِ ستاره‌ای (Stellar astronomy) گفته می‌شود.
اخترشناسی یکی از قدیمی‌ترین علوم است. اخترشناسان در تمدن‌های اولیهٔ بشری به‌دقت آسمان شب را بررسی می‌کردند و ابزارهای سادهٔ اخترشناسی از همان ابتدا شناخته‌شده بودند. با اختراع تلسکوپ، تحولی عظیم در این رشته ایجاد شد و دوران اخترشناسی جدید آغاز شد.
در قرن بیستم، رشتهٔ اخترشناسی به دو رشتهٔ اخترشناسی رصدی و اخترشناسی نظری تبدیل شد. در اخترشناسی رصدی به‌دنبال گردآوری داده‌ها و پردازش آنها و همچنین ساخت و نگهداری ابزارهای اخترشناسی هستیم. در اخترشناسی نظری به‌دنبال کسب اطمینان از صحت نتایج به‌دست‌آمده از مدل‌های تحلیلی و تحلیل‌های کامپیوتری هستیم. این دو رشته یکدیگر را تکمیل می‌کنند؛ به این ترتیب که کار اخترشناسی نظری ارائه شرحی بر رصدها و وظیفه اخترشناسی رصدی اثبات عملی نتایج پیش‌بینی‌شده در نظریه‌هاست. با استفاده از یافته‌های اخترشناسی می‌توان نظریه‌های بنیادین فیزیک مانند نظریه نسبیت عام را آزمایش کرد. در طول تاریخ، اخترشناسان آماتور در بسیاری از کشف‌های مهم اخترشناسی نقش داشته‌اند و اخترشناسی یکی از محدود رشته‌هایی است که در آن افراد آماتور نقشی بسیار فعال دارند و مخصوصاً در کشف و مشاهده پدیده‌های گذرا و محلی امیدوارکننده، ظاهر شده‌اند. علم اخترشناسی مدرن را نباید با علم احکام نجوم (طالع‌بینی یا اخترگویی) مقایسه کنیم چراکه در طالع‌بینی یا اخترگویی اعتقاد بر آن است که امور انسان‌ها با موقعیت اجرام سماوی در ارتباط است. اگرچه اخترشناسی (Astronomy) و طالع‌بینی یا اخترگویی (Astrology) دو رشته‌ای هستند که منشأ یکسانی داشته‌اند اما اغلب متفکران بر این باورند که این دو رشته از هم جدا شده‌اند و تفاوت‌های بسیاری بین آنها وجود دارد
اواژه شناسی
واژهٔ astronomy - اخترشناسی - (که از دو واژهٔ یونانی astron به‌معنای «ستاره» و nomos به‌معنای «قانون» یا «مطالعه» گرفته شده‌است) تحت‌اللفظی به‌معنای «قانون ستاره‌ها» یا «مطالعهٔ ستاره‌ها» ست.
موارد استفاده از واژه‌های «اخترشناسی» و «آستروفیزیک»
با توجه به معنای واژه، «اخترشناسی» به «مطالعهٔ اجسام خارج از جوّ زمین و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آنها» اشاره می‌کند و واژهٔ «آستروفیزیک» به شاخه‌ای از اخترشناسی اشاره می‌کند که با «رفتار، ویژگی‌های فیزیکی و فرایند دینامیکیِ اجسام و پدیده‌های آسمانی» سروکار دارد.
تعداد آسمان‌ها
از قرن‌های چهارم تا ششم پیش از میلاد، اخترشناسان یونانی پی بردند که باید بیشتر از یک سایبان (آسمان) وجود داشته‌باشد، چون اوضاع نسبی ستاره‌های ثابت، که ظاهراً حول زمین حرکت می‌کنند، تغییری نمی‌کند، اما اوضاع نسبی خورشید، ماه و پنج جسم درخشان ستاره‌مانند (که امروزه می‌دانیم سیاره‌های عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل هستند) تغییر می‌کند.
روش‌های مختلف اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی
درحدود صدوپنجاه سال پیش از میلاد، ابرخس (۱۹۰ تا ۱۲۰ پیش از میلاد)، فاصلهٔ زمین تا ماه را برحسب قطر زمین به‌دست‌آورد. او روشی را به‌کار برد که یک قرن پیش از او، جسورترین اخترشناس یونانی، آریستارخوس، پیشنهاد داده‌بود. آریستارخوس متوجه شده‌بود که انحنای سایهٔ زمین، وقتی که از ماه می‌گذرد، باید ابعاد نسبیِ زمین تا ماه را نشان دهد. با پذیرش این نظر و به‌کمک روش‌های هندسی می‌توان فاصلهٔ زمین تا ماه را برحسب قطر زمین محاسبه کرد.
برای تعیین فاصلهٔ خورشید نیز، آریستارخوس، یک روش هندسی را به‌کار برد که ازنظر تئوری درست بود، اما نیاز به اندازه‌گیری زاویه‌هایی چندان کوچک داشت که جز با استفاده از وسایل امروزی ممکن نبود. هرچند که ارقام او درست نبود، اما او نتیجه گرفت که خورشید دست‌کم باید هفت‌برابر بزرگ‌تر از زمین باشد، و بنابراین اندیشهٔ گردش خورشید به دور زمین را، که در آن زمان باورِ رایج بود، غیرمنطقی دانست.
ستاره‌شناسان بعدی، حرکات اجرام آسمانی را برمبنای این نظریه مطالعه کردند که زمین ساکن است و در مرکز عالم قرار دارد. نفوذ و سلطه این نظریه تا سال ۱۵۴۳، یعنی تا زمانی که کپرنیک کتاب خود را منتشر کرد و با پذیرش عقیده آریستارخوس، زمین را برای همیشه از مرکز جهان بودن بیرون راند، حاکم بود.
یکی دیگر از روش‌هایی که با آن می‌توان فاصله‌های کیهانی را محاسبه کرد، استفاده از روش اختلاف منظر است.
روش دیگر استفاده از مثلثات است. بطلمیوس با استفاده از مثلثات توانست فاصله راه را از روی اختلاف منظر آن تعیین کند و نتیجه‌اش با رقم پیشین، که ابرخس بدست آورده بود، تطبیق می‌کرد.
البته امروزه روش‌های مختلف دیگری که خیلی دقیق‌تر از روش‌های فوق است، فاصله خورشید از زمین را به‌طور متوسط تقریباً برابر ۵‚۱۴۹ میلیون کیلومتر به دست می‌دهد. این فاصله میانگین را واحد نجومی (با علامت اختصاری A.U) می‌نامند و فاصله‌های دیگر منظومه خورشیدی را با این واحد می‌سنجند.
سیر تحولی و رشد
با گسترش روزافزون علم و ساخت تلسکوپ‌های دقیق، دانشمندان، در اندازه‌گیری ابعاد جهان روز به روز به نتایج جدیدتری نائل می‌شدند. با ساخته شدن و گسترش این وسایل اندازه‌گیری، دید بشر نسبت به جهان نیز تغییر یافت. مثلاً با چشم غیرمسلح (برهنه) تقریباً می‌توانیم در حدود ۶ هزار ستاره را ببینیم، اما اختراع تلسکوپ ناگهان آشکار کرد که این فقط جزیی از جهان است.
هر چند با بوجود آمدن وسایل دقیق اندازه‌گیری، دانش نیز نسبت به جهان هستی، گسترش پیدا می‌کرد، اما نظریه‌های مختلفی توسط دانشمندان ارائه می‌گردد. از جمله دانشمندانی که نسبت به ارایه این نظریه‌ها اقدام کردند می‌توان به ویلیام هرشل (Wiliam Herschel)، ستاره‌شناس آلمانی‌تبار انگلیسی، یاکوبوس کورنلیس کاپیتن (Jacobus cornelis kapteyn)، اخترشناس هلندی، شارل مسیه (Charles Messier) و ادوین هابل (Edwin Hubble) و … اشاره کرد. پایان جهان کجاست؟ سرانجام بعد از تحقیقات گسترده توسط پیچیده‌ترین تلسکوپ‌ها، دانشمندان دریافتند که:
غیر از کهکشان ما، کهکشانهای دیگری نیز وجود دارد؛ کهکشانهایی وجود دارند که جرم آنها بیشتر از کهکشان ماست. بر اساس مقیاس جدید فاصله‌ها، سن زمین حد اقل ۵ میلیارد سال است و این حد با حدسیات زمین شناسان در مورد سن زمین مطابقت دارد.
همچنین تلسکوپ‌های جدید وجود خوشه‌های کهکشانی را نشان می‌دهد؛ کهکشان ما نیز ظاهراً جزیی از یک خوشه محلی است که شامل ابرهای ماژلان، کهکشان امرأة المسلسله و سه‌ها، کهکشان کوچک نزدیک آن و چند کهکشان کوچک دیگر هست که روی هم رفته نوزده عضو را تشکیل می‌دهند.
اگر کهکشانها خوشه‌ها را و خوشه‌ها نیز خوشه‌های بزرگتری را تشکیل می‌دهند، آیا می‌توان گفت که جهان و به تبع آن فضا، تا بینهایت گسترده شده است؟ یا اینکه چرا برای جهان و چه برای فضا انتهایی وجود ندارد؟ در هر حال، دانشمندان با وجود اینکه با تخمین می‌توانند تا فاصله ۹ میلیارد سال نوری، چیزهایی را تشخیص دهند، ولی هنوز هم نشانه‌ای از پایان جهان پیدا نکرده‌اند.
انقلاب علمی
نقشه‌های گالیله و مشاهدات او از ماه نشان داد که سطح ماه دارای کوه‌است.
طی دوران رنسانس، نیکلاس کوپرنیک مدل خورشید محوری را برای سامانه خورشیدی (منظومه شمسی) پیشنهاد کرد. گالیلئو گالیله و یوهانس کپلر پیشنهاد وی را بسط داده و آن را اصلاح کردند. گالیله تلسکوپ را اختراع کرد تا بتواند مشاهدات خود را به صورت دقیق تری انجام دهد.
کپلر اولین کسی بود که با بیان اینکه خورشید در مرکز قرار دارد و بقیه سیاره‌ها به دور آن می‌چرخند مدل تقریباً کاملی را ارائه کرد. با این وجود کپلر نتوانست برای قوانینی که ارائه نمود نظریه‌ای تهیه کند. در نهایت ایزاک نیوتن با ارائه قوانین حرکت اجرام سماوی و قانون گرانش حرکت سیاره‌ها را توصیف کرد. نیوتن مخترع تلسکوپ بازتابی است.
کشفیات جدید باعث شد که ابعاد و کیفیت تلسکوپ بهبود بیابد. نیکلاس لوییس لاسیل نقشه‌های بیشتری از موقعیت ستارگان در فضا را ارائه نمود. ویلیام هرشل نقشه گسترده‌ای از خوشه‌های سماوی و تهیه کرد و در سال ۱۷۸۱ توانست سیارهٔ اورانوس را کشف کند که اولین سیاره کشف شده توسط انسان محسوب می‌شود. در سال ۱۸۳۷ برای اولین بار فردریش بسل فاصله ستاره ۶۱ دجاجه را مشخص کرد.
در قرن نوزدهم میلادی، توجه دانشمندانی چون لئونارد اویلر، الکسیس کلاد کلایرات و جین دالمبرت به مسئله سه جسمی باعث شد پیش بینی‌های دقیق تری در مورد حرکت ماه و ستارگان انجام شود. ژوزف لویی لاگرانژ و پیرسیمون لاپلاس این کار را تکمیل کردند و میزان انحراف اقمار و سیاره‌ها از وضعیت اصلی‌شان را تخمین زدند.
با اختراع طیف‌نگار و عکاسی افق‌های جدیدی به روی اخترشناسی باز شد. در طی سال‌های ۱۸۱۴ و ۱۸۱۵ ژوزف وان فرانهوفر در طیف نور خورشید حدود ۶۰۰ نوار را مشاهده کرد و در سال ۱۸۵۹، گوستاو کیرشهف این نوارها را به حضور عناصر مختلف در جو خورشید نسبت داد. معلوم شد که بقیه ستارگان به ستاره منظومه شمسی (خورشید) شباهت زیادی دارند اما در ابعاد مختلف و با دماها و عناصر درونی متفاوتی دیده می‌شوند. قرار داشتن زمین در کهکشان راه‌شیری، به عنوان مجموعه‌ای از ستاره‌ها و سیاره‌ها، در قرن بیستم کشف گردید و هم‌زمان وجود دیگر کهکشانهای خارجی در فضا تأیید شد و بلافاصله پدیده انبساط عالم عامل اصلی وجود فاصله زیاد بین زمین و دیگر کهکشانها اعلام شد.
همچنین در اخترشناسی مدرن وجود اجرام خارجی زیادی مانند اختروشها، و کهکشانهای رادیویی را تأیید کرد و با استفاده از این مشاهدات نظریه‌های فیزیکی ارائه نمود که برخی از آنها این اجرام را براساس اجرام دیگر مانند ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها توصیف می‌کنند. کیهان‌شناسی فیزیکی در طی قرن ۲۰ میلادی پیشرفتهای زیادی را تجربه کرد و نظریه مهبانگ (بیگ بنگ یا انفجار بزرگ) براساس شواهد کشف شده در علوم اخترشناسی و فیزیک مانند تابش زمینه‌ای ریزموج کیهانی، قانون هابل و تشکیل هسته مهبانگ قوت یافت.
مشاهدات اخترشناسی
وری لارج آرای در نیو مکزیکو، نمونه‌ای از یک رادیو تلسکوپ. رادیو تلسکوپ‌ها یکی از ابزارهای مشاهده کیهان هستند که توسط اخترشناسان به کار می‌روند
در بابل و یونان باستان، اخترشناسی بیشتر اخترسنجی بود و موقعیت ستاره‌ها و سیاره‌ها در آسمان مورد توجه زیادی قرار داشت. بعدها، تلاش‌های اخترشناسانی چون آیزاک نیوتن و یوهانس کپلر علم مکانیک سماوی را پدید آورد و اخترسنجی بر پیش بینی حرکت آن دسته از اجرام سماوی که میانشان نیروی جاذبه گرانشی وجود داشت تمرکز یافت. این پیشرفت به طور خاص در مورد منظومه شمسی به کار گرفته شد. امروزه موقعیت و حرکت اجرام به آسانی تعیین می‌شود و اخترشناسی مدرن بر مشاهده و درک طبیعت فیزیکی اجرام سماوی تأکید دارد.
روش‌های گردآوری داده
نوشتار اصلی: مشاهدات اخترشناسی
در اخترشناسی، اطلاعات موجود براساس شناسایی و تحلیل نور و انواع دیگر تشعشات الکترومغناطیسی شکل می‌گیرد. انواع دیگر پرتوهای کیهانی نیز مورد بررسی قرار می‌گیرند و تحقیقاتی در حال انجام است تا در آینده نزدیک بتوانیم امواج جاذبه گرانشی را شناسایی و تحلیل کنیم. امروزه، آشکارسازهای نوترینو در مشاهده نوترینوهای خورشید و نوترینوهایی که از ابرنواخترها ساطع می‌شوند کاربرد زیادی دارند.۲۳
طیف الکترومغناطیسی می‌تواند اطلاعات زیادی راجع به اخترشناسی را در اختیارمان قرار دهد. در بخش‌هایی از طیف که فرکانس اندک است، اخترشناسی رادیویی، ساطع شدن امواجی با طول موجهای میلی‌متری و دکامتری را کشف می‌کند. گیرنده‌های رادیو تلسکوپی همانند گیرنده‌های رادیویی معمولی هستند اما حساسیت بسیار زیادی دارد. مایکرویوها بخش میلی‌متری طیف رادیویی را تشکیل می‌دهند و در مطالعات تشعشات مایکرویو پس زمینه کیهان کاربرد وسیعی دارند.
در ستاره‌شناسی فروسرخ و ستاره‌شناسی فرافروسرخ با آشکارسازی و تحلیل امواج فروسرخ (با طول موجی بزرگ‌تر از طول موج قرمز) سروکار داریم. معمولاً برای این کار از تلسکوپ استفاده می‌شود اما در کنار آن به یک آشکارساز حساس نیز احتیاج داریم. بخارآب موجود در جو زمین امواج فروسرخ را جذب می‌کند و بنابراین مراکز مشاهده امواج فروسرخ می‌بایست در مکان‌های بلند و خشک و یا خارج از جو کره زمین ساخته شوند. تلسکوپ‌های فضایی به انتشار گرما در جو زمین، شفافیت جو زمین حساس نیستند و وقتی از آنها استفاده می‌کنیم دیگر با دردسرهای مشاهده در طول موجهای فروسرخ روبرو نمی‌شویم. مشاهدات فروسرخ در مشاهده مناطقی از کهکشان که پوشیده از گرد و غبار هستند بسیار کارآمد هستند.
تلسکوپ سوبارو (چپ) ورصدخانه کک (وسط) درماونا کیا، هر دو نموونه‌های از یک رصدخانه هستند که در طول موجهای نزدیک مادون قرمز و مرئی کار می‌کنند. تجهیزات تلسکوپ مادون قرمز ناسا (راست) نمونه‌ای از یک تلسکوپ است که رنها با طول موجهای نزدیک مادون قرمز کار می‌کند.
در طول تاریخ، اغلب داده‌های اخترشناسی با استفاده از اخترشناسی نور تهیه شده‌اند. در اخترشناسی نور، با استفاده از عناصر نوری (مانند آینه، عدسی، آشکارسازهای CCD و فیلم‌های عکاسی) طول موجهای نور را در محدوده فروسرخ تا فرابنفش بررسی می‌کنیم. نور مرئی (طول موج‌هایی که توسط چشم انسان دیده می‌شوند و در محدوده ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر قرار دارند) در میانه این محدوده قرار دارد. تلسکوپ مهم‌ترین ابزار مشاهدات اخترشناسی است که دارای طیف نگار و دوربین‌های الکترونیکی است.
برای مشاهده منابع پرانرژی از اخترشناسی انرژی بالا کمک می‌گیریم که اخترشناسی اشعه X، اخترشناسی پرتو گاما، اخترشناسی فرابنفش (UV) و همچنین مطالعات مربوط به نوترینوها و پرتوهای کیهانی را شامل می‌شود. اخترشناسی رادیویی و نوری با استفاده از رصدخانه‌های زمینی انجام می‌شود زیرا در این طول موج‌ها، جو زمین به اندازه کافی شفاف است.
جو زمین در طول موجهای مورد مطالعه در اخترشناسی اشعه X، اخترشناسی پرتو گاما، اخترشناسی UV و اخترشناسی فرا فروسرخ (به جز در مورد چند «پنجره» طول موج) شفافیت کافی را ندارد و بنابراین تحقیقات و مشاهدات در مورد این علوم باید از طریق بالنهای تحقیقاتی یا رصدخانه‌های فضایی صورت پذیرد. پرتوهای قوی اشعه گاما براساس رگبارهای هوایی عظیمی که تولید می‌کنند شناسایی می‌شوند و مطالعه پرتوهای کیهانی زیرمجموعه‌ای از اخترشناسی محسوب می‌شود.۴
اخترشناسی سیارات براساس مشاهدات مستقیم از طریق فضاپیماها و سفرهای فضایی و نمونه برداری از سیارات پیشرفت خوبی را تجربه کرده‌است. مأموریت‌های فضایی و استفاده از سیاره‌پیماهای مجهز به حس‌گرهای قوی به ما کمک می‌کند از مواد تشکیل دهنده سطح سیاره نمونه برداری کنیم و همچنین با استفاده از حس‌گرها مواد لایه‌های عمیق‌تر را شناسایی کرده و در نهایت مواد را برای بررسی بیشتر به زمین منتقل کنیم.
اواژه شناسی
واژهٔ astronomy - اخترشناسی - (که از دو واژهٔ یونانی astron به‌معنای «ستاره» و nomos به‌معنای «قانون» یا «مطالعه» گرفته شده‌است) تحت‌اللفظی به‌معنای «قانون ستاره‌ها» یا «مطالعهٔ ستاره‌ها» ست.
موارد استفاده از واژه‌های «اخترشناسی» و «آستروفیزیک»
با توجه به معنای واژه، «اخترشناسی» به «مطالعهٔ اجسام خارج از جوّ زمین و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آنها» اشاره می‌کند و واژهٔ «آستروفیزیک» به شاخه‌ای از اخترشناسی اشاره می‌کند که با «رفتار، ویژگی‌های فیزیکی و فرایند دینامیکیِ اجسام و پدیده‌های آسمانی» سروکار دارد.
تعداد آسمان‌ها
از قرن‌های چهارم تا ششم پیش از میلاد، اخترشناسان یونانی پی بردند که باید بیشتر از یک سایبان (آسمان) وجود داشته‌باشد، چون اوضاع نسبی ستاره‌های ثابت، که ظاهراً حول زمین حرکت می‌کنند، تغییری نمی‌کند، اما اوضاع نسبی خورشید، ماه و پنج جسم درخشان ستاره‌مانند (که امروزه می‌دانیم سیاره‌های عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل هستند) تغییر می‌کند.
روش‌های مختلف اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی
درحدود صدوپنجاه سال پیش از میلاد، ابرخس (۱۹۰ تا ۱۲۰ پیش از میلاد)، فاصلهٔ زمین تا ماه را برحسب قطر زمین به‌دست‌آورد. او روشی را به‌کار برد که یک قرن پیش از او، جسورترین اخترشناس یونانی، آریستارخوس، پیشنهاد داده‌بود. آریستارخوس متوجه شده‌بود که انحنای سایهٔ زمین، وقتی که از ماه می‌گذرد، باید ابعاد نسبیِ زمین تا ماه را نشان دهد. با پذیرش این نظر و به‌کمک روش‌های هندسی می‌توان فاصلهٔ زمین تا ماه را برحسب قطر زمین محاسبه کرد.
برای تعیین فاصلهٔ خورشید نیز، آریستارخوس، یک روش هندسی را به‌کار برد که ازنظر تئوری درست بود، اما نیاز به اندازه‌گیری زاویه‌هایی چندان کوچک داشت که جز با استفاده از وسایل امروزی ممکن نبود. هرچند که ارقام او درست نبود، اما او نتیجه گرفت که خورشید دست‌کم باید هفت‌برابر بزرگ‌تر از زمین باشد، و بنابراین اندیشهٔ گردش خورشید به دور زمین را، که در آن زمان باورِ رایج بود، غیرمنطقی دانست.
ستاره‌شناسان بعدی، حرکات اجرام آسمانی را برمبنای این نظریه مطالعه کردند که زمین ساکن است و در مرکز عالم قرار دارد. نفوذ و سلطه این نظریه تا سال ۱۵۴۳، یعنی تا زمانی که کپرنیک کتاب خود را منتشر کرد و با پذیرش عقیده آریستارخوس، زمین را برای همیشه از مرکز جهان بودن بیرون راند، حاکم بود.
یکی دیگر از روش‌هایی که با آن می‌توان فاصله‌های کیهانی را محاسبه کرد، استفاده از روش اختلاف منظر است.
روش دیگر استفاده از مثلثات است. بطلمیوس با استفاده از مثلثات توانست فاصله راه را از روی اختلاف منظر آن تعیین کند و نتیجه‌اش با رقم پیشین، که ابرخس بدست آورده بود، تطبیق می‌کرد.
البته امروزه روش‌های مختلف دیگری که خیلی دقیق‌تر از روش‌های فوق است، فاصله خورشید از زمین را به‌طور متوسط تقریباً برابر ۵‚۱۴۹ میلیون کیلومتر به دست می‌دهد. این فاصله میانگین را واحد نجومی (با علامت اختصاری A.U) می‌نامند و فاصله‌های دیگر منظومه خورشیدی را با این واحد می‌سنجند.
سیر تحولی و رشد
با گسترش روزافزون علم و ساخت تلسکوپ‌های دقیق، دانشمندان، در اندازه‌گیری ابعاد جهان روز به روز به نتایج جدیدتری نائل می‌شدند. با ساخته شدن و گسترش این وسایل اندازه‌گیری، دید بشر نسبت به جهان نیز تغییر یافت. مثلاً با چشم غیرمسلح (برهنه) تقریباً می‌توانیم در حدود ۶ هزار ستاره را ببینیم، اما اختراع تلسکوپ ناگهان آشکار کرد که این فقط جزیی از جهان است.
هر چند با بوجود آمدن وسایل دقیق اندازه‌گیری، دانش نیز نسبت به جهان هستی، گسترش پیدا می‌کرد، اما نظریه‌های مختلفی توسط دانشمندان ارائه می‌گردد. از جمله دانشمندانی که نسبت به ارایه این نظریه‌ها اقدام کردند می‌توان به ویلیام هرشل (Wiliam Herschel)، ستاره‌شناس آلمانی‌تبار انگلیسی، یاکوبوس کورنلیس کاپیتن (Jacobus cornelis kapteyn)، اخترشناس هلندی، شارل مسیه (Charles Messier) و ادوین هابل (Edwin Hubble) و … اشاره کرد. پایان جهان کجاست؟ سرانجام بعد از تحقیقات گسترده توسط پیچیده‌ترین تلسکوپ‌ها، دانشمندان دریافتند که:
غیر از کهکشان ما، کهکشانهای دیگری نیز وجود دارد؛ کهکشانهایی وجود دارند که جرم آنها بیشتر از کهکشان ماست. بر اساس مقیاس جدید فاصله‌ها، سن زمین حد اقل ۵ میلیارد سال است و این حد با حدسیات زمین شناسان در مورد سن زمین مطابقت دارد.
همچنین تلسکوپ‌های جدید وجود خوشه‌های کهکشانی را نشان می‌دهد؛ کهکشان ما نیز ظاهراً جزیی از یک خوشه محلی است که شامل ابرهای ماژلان، کهکشان امرأة المسلسله و سه‌ها، کهکشان کوچک نزدیک آن و چند کهکشان کوچک دیگر هست که روی هم رفته نوزده عضو را تشکیل می‌دهند.
اگر کهکشانها خوشه‌ها را و خوشه‌ها نیز خوشه‌های بزرگتری را تشکیل می‌دهند، آیا می‌توان گفت که جهان و به تبع آن فضا، تا بینهایت گسترده شده است؟ یا اینکه چرا برای جهان و چه برای فضا انتهایی وجود ندارد؟ در هر حال، دانشمندان با وجود اینکه با تخمین می‌توانند تا فاصله ۹ میلیارد سال نوری، چیزهایی را تشخیص دهند، ولی هنوز هم نشانه‌ای از پایان جهان پیدا نکرده‌اند.
انقلاب علمی
نقشه‌های گالیله و مشاهدات او از ماه نشان داد که سطح ماه دارای کوه‌است.
طی دوران رنسانس، نیکلاس کوپرنیک مدل خورشید محوری را برای سامانه خورشیدی (منظومه شمسی) پیشنهاد کرد. گالیلئو گالیله و یوهانس کپلر پیشنهاد وی را بسط داده و آن را اصلاح کردند. گالیله تلسکوپ را اختراع کرد تا بتواند مشاهدات خود را به صورت دقیق تری انجام دهد.
کپلر اولین کسی بود که با بیان اینکه خورشید در مرکز قرار دارد و بقیه سیاره‌ها به دور آن می‌چرخند مدل تقریباً کاملی را ارائه کرد. با این وجود کپلر نتوانست برای قوانینی که ارائه نمود نظریه‌ای تهیه کند. در نهایت ایزاک نیوتن با ارائه قوانین حرکت اجرام سماوی و قانون گرانش حرکت سیاره‌ها را توصیف کرد. نیوتن مخترع تلسکوپ بازتابی است.
کشفیات جدید باعث شد که ابعاد و کیفیت تلسکوپ بهبود بیابد. نیکلاس لوییس لاسیل نقشه‌های بیشتری از موقعیت ستارگان در فضا را ارائه نمود. ویلیام هرشل نقشه گسترده‌ای از خوشه‌های سماوی و تهیه کرد و در سال ۱۷۸۱ توانست سیارهٔ اورانوس را کشف کند که اولین سیاره کشف شده توسط انسان محسوب می‌شود. در سال ۱۸۳۷ برای اولین بار فردریش بسل فاصله ستاره ۶۱ دجاجه را مشخص کرد.
در قرن نوزدهم میلادی، توجه دانشمندانی چون لئونارد اویلر، الکسیس کلاد کلایرات و جین دالمبرت به مسئله سه جسمی باعث شد پیش بینی‌های دقیق تری در مورد حرکت ماه و ستارگان انجام شود. ژوزف لویی لاگرانژ و پیرسیمون لاپلاس این کار را تکمیل کردند و میزان انحراف اقمار و سیاره‌ها از وضعیت اصلی‌شان را تخمین زدند.
با اختراع طیف‌نگار و عکاسی افق‌های جدیدی به روی اخترشناسی باز شد. در طی سال‌های ۱۸۱۴ و ۱۸۱۵ ژوزف وان فرانهوفر در طیف نور خورشید حدود ۶۰۰ نوار را مشاهده کرد و در سال ۱۸۵۹، گوستاو کیرشهف این نوارها را به حضور عناصر مختلف در جو خورشید نسبت داد. معلوم شد که بقیه ستارگان به ستاره منظومه شمسی (خورشید) شباهت زیادی دارند اما در ابعاد مختلف و با دماها و عناصر درونی متفاوتی دیده می‌شوند. قرار داشتن زمین در کهکشان راه‌شیری، به عنوان مجموعه‌ای از ستاره‌ها و سیاره‌ها، در قرن بیستم کشف گردید و هم‌زمان وجود دیگر کهکشانهای خارجی در فضا تأیید شد و بلافاصله پدیده انبساط عالم عامل اصلی وجود فاصله زیاد بین زمین و دیگر کهکشانها اعلام شد.
همچنین در اخترشناسی مدرن وجود اجرام خارجی زیادی مانند اختروشها، و کهکشانهای رادیویی را تأیید کرد و با استفاده از این مشاهدات نظریه‌های فیزیکی ارائه نمود که برخی از آنها این اجرام را براساس اجرام دیگر مانند ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها توصیف می‌کنند. کیهان‌شناسی فیزیکی در طی قرن ۲۰ میلادی پیشرفتهای زیادی را تجربه کرد و نظریه مهبانگ (بیگ بنگ یا انفجار بزرگ) براساس شواهد کشف شده در علوم اخترشناسی و فیزیک مانند تابش زمینه‌ای ریزموج کیهانی، قانون هابل و تشکیل هسته مهبانگ قوت یافت.
مشاهدات اخترشناسی
وری لارج آرای در نیو مکزیکو، نمونه‌ای از یک رادیو تلسکوپ. رادیو تلسکوپ‌ها یکی از ابزارهای مشاهده کیهان هستند که توسط اخترشناسان به کار می‌روند
در بابل و یونان باستان، اخترشناسی بیشتر اخترسنجی بود و موقعیت ستاره‌ها و سیاره‌ها در آسمان مورد توجه زیادی قرار داشت. بعدها، تلاش‌های اخترشناسانی چون آیزاک نیوتن و یوهانس کپلر علم مکانیک سماوی را پدید آورد و اخترسنجی بر پیش بینی حرکت آن دسته از اجرام سماوی که میانشان نیروی جاذبه گرانشی وجود داشت تمرکز یافت. این پیشرفت به طور خاص در مورد منظومه شمسی به کار گرفته شد. امروزه موقعیت و حرکت اجرام به آسانی تعیین می‌شود و اخترشناسی مدرن بر مشاهده و درک طبیعت فیزیکی اجرام سماوی تأکید دارد.
روش‌های گردآوری داده
نوشتار اصلی: مشاهدات اخترشناسی
در اخترشناسی، اطلاعات موجود براساس شناسایی و تحلیل نور و انواع دیگر تشعشات الکترومغناطیسی شکل می‌گیرد. انواع دیگر پرتوهای کیهانی نیز مورد بررسی قرار می‌گیرند و تحقیقاتی در حال انجام است تا در آینده نزدیک بتوانیم امواج جاذبه گرانشی را شناسایی و تحلیل کنیم. امروزه، آشکارسازهای نوترینو در مشاهده نوترینوهای خورشید و نوترینوهایی که از ابرنواخترها ساطع می‌شوند کاربرد زیادی دارند.۲۳
طیف الکترومغناطیسی می‌تواند اطلاعات زیادی راجع به اخترشناسی را در اختیارمان قرار دهد. در بخش‌هایی از طیف که فرکانس اندک است، اخترشناسی رادیویی، ساطع شدن امواجی با طول موجهای میلی‌متری و دکامتری را کشف می‌کند. گیرنده‌های رادیو تلسکوپی همانند گیرنده‌های رادیویی معمولی هستند اما حساسیت بسیار زیادی دارد. مایکرویوها بخش میلی‌متری طیف رادیویی را تشکیل می‌دهند و در مطالعات تشعشات مایکرویو پس زمینه کیهان کاربرد وسیعی دارند.
در ستاره‌شناسی فروسرخ و ستاره‌شناسی فرافروسرخ با آشکارسازی و تحلیل امواج فروسرخ (با طول موجی بزرگ‌تر از طول موج قرمز) سروکار داریم. معمولاً برای این کار از تلسکوپ استفاده می‌شود اما در کنار آن به یک آشکارساز حساس نیز احتیاج داریم. بخارآب موجود در جو زمین امواج فروسرخ را جذب می‌کند و بنابراین مراکز مشاهده امواج فروسرخ می‌بایست در مکان‌های بلند و خشک و یا خارج از جو کره زمین ساخته شوند. تلسکوپ‌های فضایی به انتشار گرما در جو زمین، شفافیت جو زمین حساس نیستند و وقتی از آنها استفاده می‌کنیم دیگر با دردسرهای مشاهده در طول موجهای فروسرخ روبرو نمی‌شویم. مشاهدات فروسرخ در مشاهده مناطقی از کهکشان که پوشیده از گرد و غبار هستند بسیار کارآمد هستند.
تلسکوپ سوبارو (چپ) ورصدخانه کک (وسط) درماونا کیا، هر دو نموونه‌های از یک رصدخانه هستند که در طول موجهای نزدیک مادون قرمز و مرئی کار می‌کنند. تجهیزات تلسکوپ مادون قرمز ناسا (راست) نمونه‌ای از یک تلسکوپ است که رنها با طول موجهای نزدیک مادون قرمز کار می‌کند.
در طول تاریخ، اغلب داده‌های اخترشناسی با استفاده از اخترشناسی نور تهیه شده‌اند. در اخترشناسی نور، با استفاده از عناصر نوری (مانند آینه، عدسی، آشکارسازهای CCD و فیلم‌های عکاسی) طول موجهای نور را در محدوده فروسرخ تا فرابنفش بررسی می‌کنیم. نور مرئی (طول موج‌هایی که توسط چشم انسان دیده می‌شوند و در محدوده ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر قرار دارند) در میانه این محدوده قرار دارد. تلسکوپ مهم‌ترین ابزار مشاهدات اخترشناسی است که دارای طیف نگار و دوربین‌های الکترونیکی است.
برای مشاهده منابع پرانرژی از اخترشناسی انرژی بالا کمک می‌گیریم که اخترشناسی اشعه X، اخترشناسی پرتو گاما، اخترشناسی فرابنفش (UV) و همچنین مطالعات مربوط به نوترینوها و پرتوهای کیهانی را شامل می‌شود. اخترشناسی رادیویی و نوری با استفاده از رصدخانه‌های زمینی انجام می‌شود زیرا در این طول موج‌ها، جو زمین به اندازه کافی شفاف است.
جو زمین در طول موجهای مورد مطالعه در اخترشناسی اشعه X، اخترشناسی پرتو گاما، اخترشناسی UV و اخترشناسی فرا فروسرخ (به جز در مورد چند «پنجره» طول موج) شفافیت کافی را ندارد و بنابراین تحقیقات و مشاهدات در مورد این علوم باید از طریق بالنهای تحقیقاتی یا رصدخانه‌های فضایی صورت پذیرد. پرتوهای قوی اشعه گاما براساس رگبارهای هوایی عظیمی که تولید می‌کنند شناسایی می‌شوند و مطالعه پرتوهای کیهانی زیرمجموعه‌ای از اخترشناسی محسوب می‌شود.۴
اخترشناسی سیارات براساس مشاهدات مستقیم از طریق فضاپیماها و سفرهای فضایی و نمونه برداری از سیارات پیشرفت خوبی را تجربه کرده‌است. مأموریت‌های فضایی و استفاده از سیاره‌پیماهای مجهز به حس‌گرهای قوی به ما کمک می‌کند از مواد تشکیل دهنده سطح سیاره نمونه برداری کنیم و همچنین با استفاده از حس‌گرها مواد لایه‌های عمیق‌تر را شناسایی کرده و در نهایت مواد را برای بررسی بیشتر به زمین منتقل کنیم.