אחרי שהרשל פרסם את תוצאותיו טבע הפילוסוף עמנואל קאנט את המונח גלקסיה. קאנט שיער שקיימות גלקסיות רבות, בניגוד להרשל שסבר ששביל החלב הוא הגלקסיה היחידה ביקום, ולמעשה היא היקום כולו. מחלוקת זו, שהתפרסמה בשם המחלוקת הגדולה, שיסעה את עולם האסטרונומיה למשך יותר ממאה שנה, הרבה אחרי שקאנט והרשל הלכו לעולמם.
עם שיפור הטלסקופים החלו האסטרונומים לקטלג ערפיליות, שהן גרמי שמים חיוורים. חלק מהערפיליות היו ללא מבנה מוגדר, אך אחרות נראו כדיסקה שמרכזה נפוח, בדומה למבנה שביל החלב. תומכי מחנה קאנט טענו שאלו אינן ערפיליות כלל, אלא גלקסיות אחרות, הנמצאות מחוץ לגלקסיית שביל החלב. מצדדיו של הרשל ענו שדמיון במבנה אינו מחייב זהות בממדים, וגרסו שאפשר שאלו מערכות שמש בשלב מוקדם של יצירתן. במקביל הצליחו למדוד מרחקים לכוכבים קרובים, אך ללא שיטה למדידת המרחק ל־"ערפיליות" דמויות הדיסקה לא ניתן היה ליישב את המחלוקת.
ההכרעה הגיעה רק בשנות העשרים של המאה ה־20, מתגלית של אסטרונום צעיר בשם אדווין האבל. האבל זיהה קפאיד באחת ה־"ערפיליות", והסתייע בתוצאות מחקריה של האסטרונומית הנרייטה ליוויט לחישוב המרחק לקפאיד זה. החשבון הניב תוצאה בת מאות אלפי שנות אור – בשני סדרי גודל מעל כל מרחק כוכבי שחושב קודם לכן – ולמעשה הוכח מעל כל ספק כי שביל החלב אינה הגלקסיה היחידה ביקום.
המאה ה־20: אמצעים חדשים, תאוריות מודרניות וחקר החלל בחזית המדע.
לאורך השנים שוכללו שיטות המחקר האסטרונומיות וגילויים חדשים תרמו לפיתוח התאוריות המדעיות שלהן הייתה השפעה על יישומים טכנולוגיים. במקביל, בדומה לתהליך שאירע עם גיבוש המודל ההליוצנטרי, פיזיקאים חתרו לגלות את "הגביע הקדוש" של המדע והוא התאוריה של הכול, איחוד תורות או תאוריות שונות מתחומים שונים לכאורה. כך למשל גילוי הקשר בין חשמל ומגנטיות, הקשר בין כוחות מגע בין חומרים לתגובות חשמליות בין חלקיקים, בין קשרים כימיים לכוחות חשמליים. התנהגות האור עצמו הייתה אפופה מסתורין – בתחילת המאה ה־20, נמצא כי האור הוא גם גל וגם חלקיק – הייתה לכך השלכה גם על חקר החלל. תצפיות החלל הפכו לשדה ניסויים גדול ושימשו גם לאישוש תאוריות על אבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר, היווצרות היקום ושאלת הצפוי לו.
בראשית המאה ה־20 אלברט איינשטיין פיתח את תורת היחסות הפרטית בשל פער בהסבר תופעה אלקטרומגנטית של מוליך הנע בשדה מגנטי והזרם העובר בו-מטרתו הייתה להגדיר במדויק מושגי מרחב וזמן. בין המסקנות והיישומים שנבעו מתורה זו היו שקילות המסה והאנרגיה וקיומו האפשרי של אנטי–חומר. תורה זו גם תרמה לתיאור נכון של תופעות במכניקת הקוונטים.לפי תאוריות הפיזיקה הקלאסית של ניוטון ומקסוול, הבדלים במהירות האור בתוך "אתר נושא האור" אמורים להיות קיימים בכיוונים שונים. ניסוי מייקלסון-מורלי שנועד למצוא הפרשים כאלו לא מצא הפרשי מהירות ובראייה לאחור, "כישלון" זה למעשה הוכיח את נכונות תורת היחסות הפרטית שאינה מניחה שאתר קיים.ההרחבה לתורה זו, תורת היחסות הכללית, מתייחסת גם לכבידה והשפעתה על המרחב והזמן. תורה זו חוזה את קיומם של חורים שחורים. מסקנה נוספת של תורה זו הייתה שהגלקסיות אמורות לנוע אחת אל השנייה בשל קיומו של כוח משיכה הדדית, אך איינשטיין האמין בקיומו של יקום סטטי ולכן הוסיף קבוע קוסמולוגי, שמסמל כוח דחייה תאורטית בין הגלקסיות. תצפית אסטרונומית שנערכה ב־1919 בעת ליקוי חמה לכאורה הוכיחה את הסטת אור הכוכבים כפי שניתן היה לחזות.
בראשית המאה ה־19 יוזף פראונהופר פיתח את הספקטרוסקופ. כאשר מצא הבדל בין ספקטרום האור הנפלט של סיריוס לספקטרום של כוכבי שבת אחרים, הוא יצר את תחום הספקטרוסקופיה הכוכבית (יישום ספקטרוסקופיה לגילוי הרכבם הכימי של הכוכבים, טמפרטורה, מהירות, צפיפות). ההתקדמות במכניקת קוונטים תרמה לפיתוח הספקטרוסקופיה.יישום חשוב לספקטרוסקופיה נמצא כמאה לאחר מכן – במהלך תצפיות במסגרת עבודתו במצפה הכוכבים בשנות העשרים של המאה ה־20, אדווין האבל גילה שהקרינה המגיעה מהגלקסיות המרוחקות מוסחת לאדום ולמעשה היקום מתפשט (ובעקבות כך איינשטיין הודה בטעותו והסיר את הקבוע הקוסמולוגי) ועל כן תאוריית המפץ הגדול נכונה בעיקרה. בסוף המאה ה־20 התגלה שקצב התפשטות היקום אף מואץ וההסבר שנמצא לכך הוא קיומה של "אנרגיה אפלה", ועל כן הקבוע הקוסמולוגי נוסף בשנית לנוסחאות – זהו מודל למדא-CDM.האסטרונומית אנני ג'אמפ קאנון, אשר יחד עם צוותה סיווגה למעלה מרבע מיליון כוכבים לפי בהירותם, התפרסמה בזכות עבודתה על סיווג ספקטרלי (סיווג הרווארד). דיאגרמת הרצשפרונג-ראסל, המתבססת על הסיווג הספקטרלי, קושרת בין בהירות המוחלטת של כוכב לבין טמפרטורת פני השטח שלו ומאפשרת לסווג את הכוכב ולהעריך את אורך חייו והשלב שבו הוא נמצא במחזור החיים שלו. לאורך הדיאגרמה ישנה עקומה המכונה הסדרה הראשית – מיקום הכוכבים על העקומה תלוי בגילם ובמסתם ההתחלתית. בשנות ה־40 הוכנס לשימוש סיווג ירקס המתחשב גם בהשפעת רדיוס הכוכב על הארתו. עבודות אלו תרמו להבנה של מחזור החיים של כוכבים.
בשנות ה־30 של המאה ה־20, הודות להתפתחויות בטכנולוגיית הרדיו והמכ"ם החלו המדענים לחקור גם תחומים בספקטרום האלקטרומגנטי שאינם בתחום האור הנראה, ובפרט גלי רדיו (רדיו-אסטרונומיה). כמו במקרים רבים, הדבר התגלה במקרה על ידי קארל ג'נסקי בשנות ה־30, כאשר בנה אנטנה לשידור טרנסאטלנטי וחיפש גורמי רעש וגילה שאחד הגורמים מגיע מחוץ לכדור הארץ, במרכז גלקסיית שביל החלב. עם גילוי קו המימן ב־1951, נוסד תחום ספקטרוסקופיית הרדיו. בשנות ה־40 נעשה ניסיון ליצור רדיו-אינטרפרומטר באמצעות אנטנה הסמוכה לים. בשנות ה־60 פורסמה שיטה לניתוח המידע המתקבל. ב־1965 הפיזיקאים ארנו פנזיאס ורוברט וילסון גילו באקראי את קרינת הרקע הקוסמית, תגלית שהכריעה לטובת תאוריית המפץ הגדול אל מול תאוריית המצב היציב שהוצעה כנגדה.
בעקבות פיתוח יכולת השיגור לחלל, שוגר לחלל טלסקופ האבל שתרם רבות לחקר החלל והערכת גיל היקום. אטמוספירת כדור הארץ חוסמת סוגים שונים של קרינה ולכן יש תצפיות שמתאפשרות רק מחוץ לאטמוספירה.
אימות תופעות שונות כגון קיומם של חלקיקים שנחזו לפי המודל הסטנדרטי כמו נייטרינו עשויים לשמש בעתיד לפיתוח יכולות תצפית חדשות. מאידך, המודל הסטנדרטי תוקן בהתאם לתצפיות אסטרונומיות שגילו כי לנייטרינו יש מסה.
בספטמבר 2015 הופעל צמד של גלאי Advanced LIGO, וב־11 בפברואר 2016 הכריזו ראשי התוכנית כי עמדו במשימתם וגילו גלי כבידה אשר נחזו לפי תורת היחסות הכללית. גילו גלי הכבידה פותח לראשונה את חקר היקום ופיתוח האסטרונומיה המודרנית, לפיזיקה שלא נוגעת לחומר ולאינטראקציה שלו עם הספקטרום האלקטרומגנטי (אמצעי ואופן המחקר עד להמצאת ובניית ה־LIGO).
ב־22 בספטמבר 2017, הגלאי נייטרינו גילה IceCube את IceCube-170922A, חלקיק נייטרינו באנרגיה של 290 טריליון אלקטרון וולט. לאחר תצפיות נמצא שמקורו בבלאזר, חור שחור מסוג קוואזר, הרחוק מאיתנו 3.7 מיליארד שנות אור, שמפנה את הסילון שלו לכיווננו. כך למעשה נפתחה דרך חדשה לחקר היקום, בגילוי ומציאת מקורות אנרגיה גבוהה, וחקר האינטראקציה וההשפעה שלהם על היקום.
תצפיות אסטרונומיות.
מידע תצפיתי באסטרונומיה נאסף בכל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי, מגלי רדיו דרך הספקטרום הנראה ועד לקרינת גמא. צפייה בטווחים שונים של הספקטרום נדרשת כדי לקבל תמונה רחבה של היקום. רוב גרמי השמים פולטים קרינה רק בחלקים מסוימים מטווח הספקטרום האלקטרומגנטי בגלל תהליכים פיזיקליים שונים. ניתוח ספקטרום בליעה וספקטרום פליטה של גרמי שמים נותן מידע רב על תכונותיהם הפיזיקליות כגון טמפרטורה, הרכב, מהירות, עוצמת שדה מגנטי ועוד.
ייחוד נוסף לשימוש בתחומים שונים של הספקטרום הוא התגברות על תהליכים פיזיקליים הגורמים לשינויים בספקטרום הנמדד ביחס לנפלט. לדוגמה, אפקט דופלר של קוואזרים מסוגל לגרום להזזה של קווים מתחום העל סגול לתת אדום. דוגמה נוספת היא חקר אזורים מוסתרים בתחום הנראה, כגון ערפיליות יצירה או ליבת גלקסיית שביל החלב. פיזור האור על ידי ענני אבק בין כוכבי משפיע בעיקר על אורכי גל קצרים ולכן אפשר לצפות אל ליבת הגלקסיה רק באמצעות טלסקופי רדיו ותת אדום ולא באור הנראה.
אורכי הגל השונים של הספקטרום האלקטרומגנטי מצריכים אמצעי תצפית שונים, בעלי ייחודים שונים בעיצובם בבחירת החומרים ובמבנה שלהם. חלקים נרחבים מהתחומים הלא נראים של הספקטרום נחסמים בשכבות שונות של האטמוספירה וכדי למדוד אותם צריך להשתמש באמצעי תעופה שונים, החל מכדורים פורחים וכלה בחלליות.
להלן יפורטו שיטות התצפית באורכי הגל השונים.
קרינת הרקע הקוסמית – תצפיות מיקרוגל.