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，其中的大爆炸理论，已得到宇宙微波背景辐射、哈勃定律以及宇宙化学元素丰度的充分支持。太空望远镜的发射意味着，科学家能够通过电磁波谱中一般被大气层所遮掩的部分来观察宇宙。2016年，雷射干涉引力波天文台（LIGO）宣佈首次直接探测到源