。1814至15年，约瑟夫·夫琅和费在太阳的光谱当中观察到大约600条谱线。古斯塔夫·基尔霍夫在1859年解释，这些谱线是由不同化学元素产生的。人们发现，恆星其实类似于太阳，只不过有着不同的温度、质量和大小。到了20世纪，科学家才认识到地球所身处的银河系是一个独立的星系，并且在银河系外还存在别的星系。这些星系都在远离银河系，科学家以此发现宇宙正在膨胀。奇异的星体现象陆续被发现，如类星体、脉冲星、耀变体和电波星系等。理论天文学家则提出黑洞、中子星等天体来解释这些观测现象。物理宇宙学也在20世纪蓬勃发展，其