用加装电荷耦合元件和光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质，故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统，或改由大气层外的太空望远镜来观测，才能得到最优良的影像。在这频域里，恆星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析恆星、星系和星云的化学成份。理论天体物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解箇中奥妙；计算机模拟可以显现出一些非常复杂的现象或效应其背后的机制。在实践中，现代天文学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