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。天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质，暗能量，黑洞和其他天体的性质 ; 以及宇宙的起源和最终命运。理论天文学家还研究了太阳系的形成和演化。恒星动力学和演化 ; 星系的形成与演化 ;磁流体力学 ; 宇宙中物质的大尺度结构；宇宙线的起源; 广义相对论，狭义相对论，量子和物理宇宙学，其中包括弦宇