Lịch sử thiên văn học

Thời tiền sử

Từ buổi hồng hoang của lịch sử, con người đã ngắm nhìn và suy ngẫm về bầu trời sao huyền bí, quyến rũ trên đầu. Người xưa quan sát chuyển động lặp đi lặp lại của Mặt Trời và Mặt Trăng trên bầu trời đêm để nhận biết các thời điểm chuyển mùa.
Những hiện tượng thiên văn bí ẩn còn được coi là điềm báo cho những gì sẽ xảy ra trong cuộc sống cũng như củng cố tín ngưỡng của con người. Khi việc trồng trọt và chăn nuôi xuất hiện thì quan sát thiên văn trở nên rất quan trọng. Nông dân, mục đồng, thợ săn và giới tăng lữ quan sát thiên văn để biết được thời vụ đánh bắt, sản xuất. Thời gian trôi đi, dần dần con người nhận ra rằng Mặt Trời, Mặt Trăng và những vì sao di chuyển theo một đường nhất định trên trời còn những hành tinh lại không như vậy. Những ngôi sao sáng ở gần nhau được con người gộp lại thành các chòm sao theo những hình dạng nhất định và thường đi kèm với những truyền thuyết, tín ngưỡng thủa xa xưa.
Khoảng 8.000-12.000 năm trước, người tiền sử ở Siberia đã tưởng tượng ra hình một con gấu với cái đuôi dài khi quan sát những ngôi sao sáng trong chòm sao Đại Hùng ngày nay. Nhiều nền văn hóa cổ đại khác cũng gán cho chòm sao này hình con gấu với những truyền thuyết và huyền thoại khác nhau. Có tài liệu cho rằng, những dấu chấm khắc dưới hình con ngựa trong hang động Lascaux ở Pháp có niên đại khoảng 15.000 năm TCN thể hiện những pha của Mặt Trăng.
Từ thời đồ đá, con người đã xây dựng những công trình thiên văn. Một trong những kiến trúc cổ nhất liên quan đến thiên văn học ở châu Âu là Newgrange ở gần thủ đô Dublin của Ai len. Công trình khổng lồ bằng đá với niên đại khoảng 3.200 năm TCN này có một hành lang hẹp dẫn vào một căn phòng. Vài ngày cận ngày đông chí, ánh sáng Mặt Trời mọc sẽ chiếu xuyên qua hành lang đó vào tận căn phòng.
Một trong những công trình bí ẩn và hoành tráng đã được công nhận là di sản thế giới trên bình nguyên Salisbury của nước Anh là ngôi đền Stonehenge. Ngày nay, hầu hết những nhà nghiên cứu đều nhất trí rằng ngôi đền được xây dựng vào khoảng năm 1900 đến 1600 TCN với 30 cột đá đồ sộ chôn sâu xuống đất và cao hơn mặt đất khoảng 5,5 m; rộng 2 m; nặng khoảng 26 tấn tạo thành một vòng đường kính 29,5 m. Phía trong vòng cột có 5 "cổng" được tạo bởi một phiến đá xếp chồng lên hai phiến khác; nhóm "cổng" này được xếp theo hình móng ngựa bao quanh trụ đá trung tâm. Phiến đá lớn nhất gọi là "Cột Đá Gót" (Heel Stone) nặng tới 35 tấn được dựng ở cuối một đường hành lang ở hướng Đông Bắc của ngôi đền. Vào ngày hạ chí, khi Mặt Trời mọc ở hướng Đông Bắc gần điểm chính Bắc nhất thì nó mọc lên ở đúng đỉnh Cột Đá Gót. Ngoài ra, có nhà nghiên cứu còn cho rằng các cột đá khác còn có thể được dùng để xác định thiên thực.

châu Âu

Thời Trung Cổ, châu Âu bận rộn tiến hành những cuộc thập tự chinh liên tiếp và miệt mài với giả kim thuật để biến kim loại thành vàng. Các học giả cũng hướng sang thế giới Ả Rập và những kiến thức thiên văn học được truyền bá ở châu Âu thông qua việc dịch thuật, biên soạn các tác phẩm từ tiếng Ả Rập sang tiếng Latin tạo tiền đề cho những bước phát triển có tính chất cách mạng trong giai đoạn Phục Hưng sau này.. Johannes de Sacrobosco, trong tác phẩm De Sphaera đã trình bày những kiến thức cơ bản về hình học cầu mà cốt lõi là thiên văn toán học của Ptolemy cũng như những chú giải của các học giả Ả Rập. Một số người khác như Hermann xứ Reichenau... cũng tích cực chuyển tải những kiến thức khoa học nói chung cũng như hiểu biết, các dụng cụ thiên văn từ Ả Rập tới châu Âu. 
Cuối thế kỷ 14, trước Copernicus khoảng 200 năm, Nicole d'Oresme, trong một tác phẩm đã đi ngược lại quan điểm Trái Đất đứng yên của Aristotle và khẳng định nó chuyển động quay, tuy nhiên, ở cuối tác phẩm đó ông đã chối bỏ chính ý kiến của mình.

Thời Phục Hưng

Thiên văn học châu Âu thời Phục hưng chứng kiến cuộc cách mạng của những tên tuổi lớn như Tycho Brahe, Copernicus, Kepler, Galileo... Tuy nhiên, trước đó phải nhắc đến Johannes Müller (còn gọi là Regiomontanus), người đã dịch tác phẩm vĩ đại Almagest từ tiếng Ả Rập và đưa ra những bình luận có giá trị trong cuốn sách Epitome of the Almagest (Tóm lược về Almagest) mà sau này được Copernicus, Galileo sử dụng.
Và rồi cuộc cách mạng đã bùng nổ với nhà thiên văn học người Ba Lan Nicolaus Copernicus, "người đã bắt Mặt Trời dừng lại và đẩy cho Trái Đất quay" như những lời ghi trên tượng đài của ông ở Warsaw. Sau những năm tháng làm việc ở giáo đường Frombork, ông cho ra đời tập Tiểu luận (Commentariolus) trình bày những ý niệm ban đầu về thuyết nhật tâm của mình. Kết quả của hàng thập kỷ lao động của ông được thể hiện trong bộ sách Về chuyển động quay của các thiên thể (De revolutionibus orbium coelestium) xuất bản lần đầu tiên năm 1543. Bộ sách gồm sáu cuốn trong đó trình bày quan điểm và những lý giải của ông về hệ thống nhật tâm đồng thời đưa ra danh mục các ngôi sao (định tinh) cũng như mô tả chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh. Tuy nhiên do coi rằng các hành tinh chuyển động tròn đều nên hệ thống của Copernicus còn chưa đạt độ chính xác cao và sau này Kepler, Newton tiếp tục hoàn thiện. Do Copernic trì hoãn việc công bố học thuyết của mình nên Georg Joachim Rheticus, người học trò và là bạn vong niên của ông đã giới thiệu nó năm 1540 bằng cách cho xuất bản cuốn Tường giải ban đầu (Narratio prima). Lý thuyết của ông đã thách thức hệ thống của Ptolemy tồn tại hàng ngàn năm và là khởi đầu cho cuộc cách mạng trong khoa học, thần học và cả triết học.
Tycho Brahe (1546 - 1601), nhà quan trắc thiên văn học người Đan Mạch đã xây dựng một đài thiên văn lớn và đặt tên là Uraniborg (nghĩa là "Lâu đài trời"). Với kết quả quan trắc, ông lập được một bản danh mục gồm 788 ngôi sao với độ chính xác cao mà sau này là cơ sở dữ liệu cho những công trình của Kepler. Ông cũng có những nghiên cứu về sao chổi và đưa ra lý thuyết về chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng. Tuy nhiên, Brahe vẫn cho rằng Trái Đất đứng yên, Mặt Trời, Mặt Trăng chuyển động quanh nó còn các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời.
Sử dụng những kết quả quan sát của Brahe, Johannes Kepler, người kế nhiệm ông ở đài thiên văn Praha, đã nghiên cứu và tìm ra quy luật chuyển động của các hành tinh. Ba định luật nổi tiếng mang tên ông đã được trình bày trong các tác phẩm Astronomia nova (Thiên văn học mới, xuất bản năm 1609) và Hamonices Mundi (Sự hài hoà của thế giới, xuất bản năm 1619). Những công trình của ông không những mô tả chuyển động của các hành tinh mà còn đề cập đến nguyên nhân của những chuyển động ấy. Theo mô hình của Kepler, động cơ tiên khởi của chuyển động của các hành tinh là Mặt Trời, nó quay và nhờ "trường lực" của mình khiến cho các hành tinh khác quay theo. Mặt khác các hành tinh còn hút lẫn nhau, lực hút này giống như từ tính và càng gần nhau thì cường độ càng lớn. Ông cũng đưa ra giả thuyết về nguyên nhân của thuỷ triều là do lực hấp dẫn của Mặt Trăng. Thiên văn học giờ đây đã chuyển từ những mô hình thuần tuý toán học sang bản chất vật lý mà sau đó Newton đã làm cho hai môn khoa học này gắn bó chặt chẽ với nhau. Với những đóng góp đó, Kepler được coi là một trong những người đặt nền móng cho thiên văn học hiện đại.
Sống cùng thời và đã có trao đổi thư từ với Kepler là một nhà thiên văn học vĩ đại khác - Galileo Galilei. Được biết về phát minh ra ống nhòm của người Hà Lan, ông đã chế tạo ra kính viễn vọng và cuối năm 1609, bắt đầu quan sát bầu trời bằng dụng cụ này. Ông đã nhìn thấy những mỏm núi trên Mặt Trăng, quan sát các vết đen Mặt Trời, biết rằng Ngân Hà là được tạo bởi những ngôi sao nhỏ li ti, phát hiện ra bốn vệ tinh (Galileo gọi chúng là hành tinh và sau đó Kepler mới đề nghị dùng từ vệ tinh) của Sao Mộc...Ông cũng nhận thấy các pha của Sao Kim rất giống với Mặt Trăng và do đó nó phải quay quanh Mặt Trời chứ không phải Trái Đất. Những khám phá của Galileo đã chứng minh cho học thuyết của Copernicus. Ông đã tìm cách thuyết phục Giáo hội La Mã về tính đúng đắn của thuyết Copernic nhưng ý kiến phán quyết của Toà án Giáo hội đã cho rằng nó là giả dối, phi lý, tà đạo và chống lại Kinh Thánh và chính ông đã phải tuyên thệ từ bỏ quan điểm của mình.
Một nhà triết học và vũ trụ học người Ý khác là Giordano Bruno đã tán thành và phát triển học thuyết của Copernicus về vũ trụ. Ông cho rằng không chỉ Trái Đất mà cả Mặt Trời cũng tự quay quanh trục của nó và còn có nhiều hành tinh quay quanh Mặt Trời mà con người chưa biết tới. Trong vũ trụ có vô số những ngôi sao tương tự Mặt Trời cũng như những thế giới khác giống như Trái Đất. Vì những quan điểm này mà Bruno đã bị toà án giáo hội thiêu trên giàn lửa.

Thế kỷ 17 - 18

Thời cận đại đánh dấu bước chuyển của thiên văn học sang những nhận thức khoa học và hiện đại về vũ trụ, thiên văn học và vật lý học trở nên thống nhất với sự ra đời của môn cơ học thiên thể. Isaac Newton, nhà khoa học vĩ đại đã có những đóng góp to lớn trong sự phát triển của thiên văn học thời kỳ này. Ông đã chế tạo chiếc kính thiên văn phản xạ đầu tiên, phân tích ánh sáng thành một chuỗi các vạch quang phổ, đặt nền móng cho quang phổ học, một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các thiên thể. Tuy nhiên thành tựu quan trọng nhất của ông trong thiên văn học là ba định luật của động lực học và định luật vạn vật hấp dẫn được trình bày trong phần thứ ba (thiên văn học) của tác phẩm Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (tiếng Latin: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica). Với quan niệm rằng chuyển động của các thiên thể cũng tuân theo các quy luật như chuyển động của các vật thể khác trên mặt đất. Newton đã hợp nhất các định luật của Kepler và cơ học của Galileo tạo bước ngoặt cho sự phát triển của môn cơ học thiên thể.
Những người kế tục Newton đã tiếp tục chứng minh tính đúng đắn của định luật vạn vật hấp dẫn cũng như phát triển môn cơ học thiên thể. Edmund Halley đã phát hiện ra gia tốc thế kỷ của Mặt Trăng mà sau này Euler, Lagrange và Laplace đã giải thích nó bằng lý thuyết vạn vật hấp dẫn. Ông cũng tới đảo St. Helena và lập bản đồ với 341 ngôi sao ở thiên cầu Nam (không nhìn thấy được ở châu Âu) và cũng trong khi ở đây, ông đo được sự khác biệt về độ dài của giây do con lắc dao động tạo ra khi ở những vĩ độ khác nhau do lực hấp dẫn khác nhau (bởi khoảng cách đến tâm Trái Đất thay đổi) mà Newton đã chỉ ra. Halley cũng tạo ra bước ngoặt trong quan niệm về sao chổi. Trước đó sao chổi được cho là có quỹ đạo parabol và sẽ vĩnh viễn đi vào vũ trụ bao la sau khi đi ngang qua Trái Đất. Từ quy luật xuất hiện của một số sao chổi đã quan sát thấy là 75-76 năm hoặc bội số của nó, ông đã áp dụng định luật của Newton và cho rằng quỹ đạo sao chổi có dạng hình elíp nhưng kéo dài đến mức ở những đoạn trông thấy được, nó giống như hình parabol. Từ đó ông khẳng định rằng sao chổi đã nhìn thấy năm 1682 sẽ quay trở lại vào năm 1758 hoặc 1759 và khi nó xuất hiện như dự báo vào Giáng Sinh năm 1758, sau khi Halley đã mất, sao chổi này đã được đặt tên là Halley. Alexis Clairaut đã xây dựng lý thuyết về cấu tạo và hình dạng Trái Đất trong tác phẩm Lý thuyết về hình dáng Trái Đất (Théorie de la figure de la Terre, 1743) khẳng định quan điểm của Newton và Huygens là Trái Đất bị dẹt ở hai cực. Ông cũng nghiên cứu xây dựng lý thuyết chuyển động của Mặt Trăng, giải thích các hiện tượng quân sai (inequality - sự sai lệch trong chu kỳ chuyển động); xuất sai (evaction - sự nhiễu loạn có chu kỳ trong chuyển động so với các định luật Kepler do lực hấp dẫn của Mặt trời gây ra); nhị quân sai (variation - sự thay đổi vận tốc dưới tác dụng của lực hấp dẫn từ Mặt Trời); chu niên sai (annual equation - sự thay đổi khoảng cách đến Mặt Trời theo chu kỳ do quỹ đạo elíp gây ra). Lý thuyết chuyển động của Mặt Trăng tiếp tục được Euler phát triển và sau đó là Laplace tổng kết trong tác phẩm Bàn về cơ học thiên thể (Traité de Mécanique Céleste ). Tiếp tục hoàn thiện lý thuyết của Lagrange, Laplace đã chỉ ra rằng sự không đều trong chuyển động của các hành tinh có tính chu kỳ và tác động của lực hấp dẫn giữa các hành tinh không gây ra gia tốc vĩnh viễn trong chuyển động trung bình của chúng, có nghĩa là hệ Mặt Trời bền vững. Năm 1796, ông cho xuất bản tác phẩm Trình bày hệ thống thế giới (Exposition du systeme du monde) trong đó tập hợp tất cả những kiến thức chủ yếu về thiên văn học và đưa ra giả thuyết về nguồn gốc của hệ Mặt Trời.
Trong lĩnh vực quan trắc, giai đoạn này cũng có những thành tựu nổi bật. Giovanni Cassini, giám đốc Đài thiên văn Paris đã khám phá ra 4 vệ tinh của Sao Thổ là Iapetus (1671), Rhea (1672), Tethys (1684), Dione (1684) và khoảng tối giữa vành đai của hành tinh này (gọi là vạch chia Cassini). Bằng phương pháp quan sát sao Hoả ở hai điểm Cayenne và Paris rồi từ hiệu toạ độ giữa chúng, ông đã xác định được khoảng cách tương đối chính xác từ Trái Đất đến Mặt Trời (đơn vị thiên văn). Ở Nga, Mikhail Lomonosov tìm ra khí quyển của Sao Kim còn ở Anh, James Bradley phát hiện hiện tượng tinh sai do chuyển động của Trái Đất và tính hữu hạn của vận tốc ánh sáng; hiện tượng chương động (sự lắc của trục Trái Đất với chu kỳ 18,6 năm đồng bộ với hiện tượng quay đảo của quỹ đạo Mặt Trăng). Nhà quan trắc xuất sắc và tiên phong trong giai đoạn này là Friedrich Wilhelm (William) Herschel với những chiếc kính thiên văn phản xạ khổng lồ của mình. Trong 20 năm quan sát, ông đã phát hiện được khoảng 2500 tinh vân và sao chùm đồng thời đưa ra mô hình các tinh vân dạng Ngân Hà. Herschel đã tìm ra một hành tinh mới trong hệ Mặt Trời - Sao Thiên Vương (1781) mà thoạt đầu ông nghĩ đó là sao chổi rồi 2 vệ tinh của nó là Titania và Oberon, phát hiện 2 vệ tinh thứ sáu và thứ bảy của Sao Thổ (Enceladus, Mimas) năm 1789. Herschel còn chỉ ra rằng hệ Mặt Trời cũng chuyển động giữa các ngôi sao gần đó và điểm hướng trong chuyển động của nó (điểm Apex) là sao Lambda Herculis trong chòm Vũ Tiên. Nhà thiên văn này cũng là người phát hiện ra tia hồng ngoại khi nhận thấy nhiệt kế để ở ngoài phạm vi phổ nhìn thấy được của ánh sáng Mặt Trời về phía màu đỏ cũng nóng lên.
Về sự hình thành của vũ trụ và Hệ Mặt Trời, vào đầu thế kỷ 18, giả thuyết tinh vân do Emanuel Swedenborg đề xuất cho rằng mọi cơ cấu trong tự nhiên đều được tạo thành theo những nguyên lý như nhau. Các nguyên tử cũng như những ngôi sao đều được tạo ra bởi luồng xoáy cố hữu của vật chất. Nguyên tử là một cơ cấu phức tạp của các hạt tương tự như Hệ Mặt Trời. Tuy nhiên ông không công nhận lực hấp dẫn của Newton mà cho rằng các ngôi sao, hành tinh được từ lực giữ. Nhà triết học nổi tiếng Immanuel Kant đã tiếp tục phát triển giả thuyết này nhưng theo thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, chính lực hấp dẫn đã làm cho vật chất ở trạng thái loãng lúc ban đầu chuyển động xoáy. Dần dần, lực hoá học đã tạo ra được sự cô đặc ban đầu của vật chất nguyên thuỷ và dưới tác dụng của lực hấp dẫn, khối lượng cô đặc ở tâm tăng lên. Tinh vân chuyển động xoáy ngày càng đặc và phần trung tâm hình thành nên Mặt Trời còn vành khuyên tạo thành các hành tinh. Độc lập với Kant, Laplace cũng có một số ý tưởng trùng hợp trong tác phẩm Trình bày hệ thống thế giới.

Thế kỷ 19

Thế kỷ 19 đánh dấu sự hình thành và phát triển của môn vật lý thiên văn, một nhánh quan trọng của thiên văn học. Lúc này, con người hướng vào cấu tạo và sự tiến hoá của các thiên thể, bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong vũ trụ. Năm 1802, William Hyde Wollaston phát hiện ra những vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ của ánh sáng mặt trời. Sau đó 12 năm, Joseph von Fraunhofer đã giải thích được nguyên nhân của những vạch tối đó là do các chất khí của Mặt Trời đã hấp thụ ánh sáng. Ứng dụng hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, ông đã đo được bước sóng của những vạch quan sát được và tên ông được đặt cho những vạch hấp thụ này. Giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu kỹ về phổ của các chất khí nóng sáng. Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã so sánh bước sóng của những vạch Frauhofer và phát hiện ra natri, sắt, magiê, calcium, crom và những kim loại khác trên Mặt Trời. Trong những thí nghiệm này, họ cũng phát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium. Năm 1862, Anders Angstrom phát hiện hydro trên Mặt Trời và năm 1869 lập bản đồ phổ Mặt Trời với hàng ngàn vạch. Năm 1868, Pierre Janssen khi quan sát nhật thực toàn phần đã để ý thấy một vạch màu vàng sáng trong phổ Mặt Trời gần những vạch kép của natri và sau đó ít lâu, Norman Lockyer đã khẳng định đó là một nguyên tố mới - helium mà mãi đến năm 1895 mới tìm ra trên Trái Đất. Những kết quả nghiên cứu phổ Mặt Trời đã kích thích sự chuyển hướng sang các ngôi sao và hành tinh khác. Angelo Secchi đã nghiên cứu phổ của khoảng 4000 ngôi sao và được coi là cha đẻ của hệ thống phân loại phổ sao. Một người Ý khác, Giovanni Donati là người đầu tiên thu được phổ sao chổi và nhận dạng, phân loại các vạch quan sát được trong phổ đó. William Huggins xác lập sự tương đồng giữa phổ Mặt Trời với nhiều ngôi sao và lần đầu tiên thu được phổ của các tinh vân khí gồm những vạch phát xạ riêng biệt. Năm 1890, Đài thiên văn Havard đã xuất bản danh mục phổ sao gồm 10.350 sao đến cấp 8, bản danh mục này sau đó thường xuyên được bổ sung.
Chụp ảnh được Joseph Nicéphore Niépce phát minh năm 1826, và sau đó ông cùng với Louis Daguerre hoàn thiện phương pháp này. Năm 1839, Daguerre tìm ra cách thu nhận ảnh trên tấm kim loại phủ Iodua Bạc rồi cho hiện hình bằng hơi thuỷ ngân. Phương pháp này được mang tên ông và sau đó, François Arago, giám đốc Đài thiên văn Paris đã ngay lập tức đánh giá cao những ứng dụng trong tương lai của nó. Năm 1851, Frederick Scott Archer đã đưa ra phương pháp keo ướt, nhờ đó ảnh rõ nét hơn và có thể nhân bản. Chụp ảnh tạo ra một công cụ hữu hiệu cho quan sát thiên văn mà người đi tiên phong trong chụp ảnh thiên văn là John William Draper với bức ảnh chụp Mặt Trăng năm 1840. Warren De la Rue đã chụp được rất nhiều ảnh Mặt Trời, rồi cũng chính Draper chụp được phổ của sao Alpha năm 1872, chụp tinh vân năm 1880...

Thế kỷ 20

Thế kỷ 20 chứng kiến những bước tiến nhanh chóng và mạnh mẽ của thiên văn học, con người đã hiểu được bản chất vật lý, quá trình tiến hóa của những ngôi sao; tìm hiểu các thiên hà xa xôi và lịch sử phát triển của vũ trụ; đã đến được các hành tinh lân cận. Nhiếp ảnh thiên văn và phân tích phổ đã được đẩy lên một trình độ rất cao với máy thu ánh sáng điện tử, thiên văn học nghiên cứu, phân tích mọi loại sóng điện từ: tia X, tia gamma, tia hồng ngoại, tia tử ngoại và những tia vũ trụ khác. Những tiến bộ trong vật lý cũng tạo cho thiên văn học những phương pháp và khả năng mới.

Khám phá bí mật của những vì sao

Thế kỷ 20 lần lượt giải đáp những đặc trưng quan trọng nhất của ngôi sao. Những năm đầu thế kỷ, Ejnar Hertzprung và Henry Norris Russell đã tìm ra mối quan hệ giữa độ trưng với màu sắc và nhiệt độ của các ngôi sao và lập ra giản đồ Hertzprung-Russell. Arthur Stanley Eddington là người đã lập ra mô hình lý thuyết về các ngôi sao. Ông phát hiện ra tương quan giữa khối lượng và độ trưng của chúng đồng thời đưa ra lý thuyết về sao lùn trắng, một loại sao mới lúc bấy giờ. Vào thập niên 1920, Eddington cũng chỉ ra rằng phản ứng hạt nhân và phản ứng nhiệt hạch chính là nguồn năng lượng của các ngôi sao đồng thời mô tả sự cân bằng trọng lượng của chúng: lực hấp dẫn có xu hướng làm ngôi sao co lại trong khi lực đàn hồi lại khiến cho nó có xu hướng nở ra. Quá trình tiến hóa của các ngôi sao, những đối tượng dị thường như sao neutron, lỗ đen... cũng được biết đến và tìm hiểu. Năm 1904, Henrietta Swan Leavitt phát hiện ra một dạng sao biến quang gọi là sao Cepheid và sau đó tìm được tương quan giữa chu kỳ thay đổi độ sáng với độ trưng của chúng mà nhờ vậy có thể xác định được khoảng cách đến những thiên hà xa xôi bằng cách đo độ sáng trung bình và chu kỳ biến quang của sao Cepheid trong đó.
Con người cũng đã biết rằng, giữa các vì sao, trong khoảng không tưởng như trống rỗng là những đám mây bụi và khí tạo thành các tinh vân. Bụi và khí tham gia vào quá trình tạo ra những ngôi sao đồng thời khi "chết" đi, các ngôi sao lại tạo ra chúng như một vòng tuần hoàn.

Những thiên hà

Trong thế kỷ 20, con người đã mở mang những hiểu biết của mình về các thiên hà xa xôi. Trước hết là thiên hà của chúng ta, từ những ước lượng ban đầu của Herschel, kích thước thật của nó đã được xác định tương đối chính xác với bán kính khoảng 100.000 năm ánh sáng và gồm hàng trăm tỷ ngôi sao. Trái với quan niêm trước đây cho rằng Mặt Trời ở trung tâm của thiên hà, Harlow Shapley bằng các tính toán của mình đã cho rằng nó ở khá xa vị trí đó. Ngày nay đã xác định được Mặt Trời cách tâm thiên hà khoảng 23.000 đến 28.000 năm ánh sáng, ở khoảng giữa của tâm và mép. Cũng như các ngôi sao gần đó, Mặt Trời cũng quay xung quanh tâm thiên hà và hoàn thành một vòng quay trong khoảng 200 triệu năm.
Trong vũ trụ mênh mông có vô số những thiên hà với hình dạng, tính chất khác nhau, từ thiên hà bất định, thiên hà Êlíp, thiên hà xoắn, thiên hà dạng thấu kính, thiên hà lùn cho đến thiên hà có nhân phát xạ, thiên hà tương tác... Loài người cũng nhận ra rằng hóa ra ngoài hằng hà sa số những ngôi sao, hành tinh thấy được còn có những vật chất tối không quan sát được kể cả trong thiên hà của chúng ta. Phát hiện này bắt nguồn từ giữa thập niên 1930, khi Fritz Zwicky nhận thấy vận tốc xuyên tâm của một quần thể thiên hà trong chòm sao Tóc Tiên quá lớn so với khối lượng của các vật chất thấy được. Điều đáng ngạc nhiên là khối lượng của vật chất không nhìn thấy được lại gấp nhiều lần những gì mà hiện nay chúng ta có thể nhìn thấy.

Thuyết tương đối và vũ trụ bao la

Năm 1905, Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp với công thức nổi tiếng về quan hệ giữa năng lượng với khối lượng của vật thể E = mc². Ông cũng chỉ ra rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số và hệ quả của nó là thời gian trong một hệ quy chiếu chuyển động nhanh sẽ trôi chậm hơn so với trong hệ quy chiếu chuyển động chậm. Năm 1916, ông tiếp tục công bố thuyết tương đối tổng quát và dùng nó để xác định cấu trúc, mô hình của vũ trụ trong tác phẩm "Những vấn đề của vũ trụ học và thuyết tương đối tổng quát" (năm 1917). Vũ trụ theo mô hình này có không-thời gian bị uốn cong do lực hấp dẫn và khép kín. Vũ trụ có một khối lượng nhất định, hữu hạn nhưng không có biên, ánh sáng trong đó sẽ lan truyền theo con đường ngắn nhất của không gian bị uốn cong rồi quay về điểm xuất phát. Độ cong của không-thời gian được kiểm định bằng kết quả thực nghiệm do Eddington tiến hành khi xảy ra nhật thực toàn phần ngày 29 tháng 5 năm 1919 tại đảo Príncipe Trị số vi sai xê dịch (độ lệch giữa vị trí thực và vị trí biểu kiến) của các ngôi sao gần Mặt Trời lớn hơn trị số mà ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn khi đi ngang qua nó, phần lớn hơn này chính là do độ cong của không-thời gian. Sau đó, tham vọng của Einstein là một lý thuyết thống nhất của mọi trường vật lý nhưng nó vẫn còn đang bỏ ngỏ và là thách thức đối với các thế hệ sau.
Một trong những mô hình có thể có của vũ trụ theo thuyết tương đối là vũ trụ giãn nở. Edwin Hubble đã tìm cách chứng minh bằng thực nghiệm mô hình này. Một số nhà thiên văn học đã quan sát thấy hiện tượng phổ của những thiên hà xa xôi dịch chuyển về phía màu đỏ. Hubble xác định được rằng mức độ dịch chuyển tỷ lệ thuận với khoảng cách đến các thiên hà và năm 1929 công bố bài báo Mối liên hệ giữa khoảng cách và tốc độ bức xạ ánh sáng của các tinh vân ngoài Thiên Hà. Trong bài báo đó, sau khi so sánh các dữ liệu về tốc độ bức xạ và khoảng cách của 46 tinh vân, ông đi đến kết luận rằng các thiên hà đang rời xa chúng ta với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách tới chúng. Đó chính là định luật Hubble còn hệ số tỷ lệ thuận được mang tên hằng số Hubble. Tuy nhiên, quan niệm về một vũ trụ giãn nở cũng có hai trường phái chính. Trường phái thứ nhất là vũ trụ định tĩnh. Khi giải các phương trình tổng quát về vũ trụ, chính cha đẻ của thuyết tương đối thấy rằng nó có thể giãn nở hoặc co lại. Điều này trái với niềm tin của ông về một vũ trụ tĩnh định và để giải quyết vấn đề, Einstein đã thêm vào những phương trình một tham số gọi là hằng số vũ trụ. Ủng hộ và phát triển thuyết vũ trụ định tĩnh là Fred Hoyle, theo ông vũ trụ giãn nở nhưng không có bất kỳ sự khác biệt nào khi quan sát từ những điểm khác nhau và thời điểm khác nhau. Đối lập lại, trường phái thứ hai cho rằng vũ trụ không tĩnh định. Một nhà bác học Nga, Alexander Friedmann, là người đầu tiên giải quyết các phương trình vũ trụ mà không dùng đến hằng số của Einstein. Từ năm 1922 cho đến 1924, các phương trình nổi tiếng mang tên ông đã chỉ ra rằng vũ trụ theo thuyết tương đối có thể có ba khả năng, trường hợp của Einstein chỉ là một trong số đó, đặc biệt là còn có một khả năng mà độ cong của không-thời gian mang giá trị âm. Với công trình này, Friedmann được coi là người khiến cho vũ trụ giãn nở. Năm 1927, Georges Lemaître đã đưa ra giả thuyết nguyên tử nguyên thủy mà sau này chính Hoyle khi phê phán nó đã gọi là giả thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang). Theo Lemaître, vũ trụ khởi thủy rất đậm đặc với mật độ vật chất vô cùng lớn. Sau đó, năm 1948, George Gamow cùng với Ralph Alpher và Robert Herman đã tiếp tục phát triển giả thuyết này và đưa ra quan điểm tổng quát hơn về một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng. Họ cho rằng tại thời điểm của Vụ nổ lớn, vật chất có nhiệt độ vô cùng cao và tiên đoán cho đến nay sóng tàn dư của nó vẫn tồn tại tuy rất yếu (nhiệt độ chỉ vào khoảng 5 K) vì đã nhiều tỷ năm trôi qua. Khoảng năm 1964 Arno Penzias và Robert Woodrow Wilson đã thu được một loại sóng bằng kính thiên văn vô tuyến mà sau đó được xác định chính là sóng tàn dư thì đây được coi là bằng chứng thực tế khẳng định giả thuyết Vụ nổ lớn Năm 1989, những dữ liệu được vệ tinh COBE thu thập được đã cho phép xác định nhiệt độ của sóng tàn dư là vào khoảng 2,728 K.
Đầu thập niên 1980, Alan Guth và độc lập với ông, một vài người khác đưa ra lý thuyết vũ trụ lạm phát Tại thời điểm ngay sau khi Vụ nổ lớn xảy ra, với nhiệt độ vô cùng cao, vũ trụ có thể đã ở trong trạng thái phình to trong khi năng lượng của một đơn vị thể tích không thay đổi. Ở trạng thái đặc biệt này, áp suất có giá trị âm và lực hấp dẫn lại là lực đẩy lẫn nhau của các hạt vật chất. Giai đoạn lạm phát chỉ diễn ra trong khoảng thời gian rất nhỏ và sau đó vũ trụ tiếp tục giãn nở theo quán tính.

Chinh phục không gian

Với nền móng được Konstantin Tsiolkovsky tạo ra, kỷ nguyên chinh phục không gian bắt đầu bằng việc Liên Xô phóng thành công Sputnik 1, vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất ngày 4 tháng 10 năm 1957. Từ đó những con tàu vũ trụ đã đến và đưa con người đến được những hành tinh trong hệ Mặt Trời để có thể trực tiếp nghiên cứu chúng. Thiên thể đầu tiên mà thiết bị vũ trụ được phóng lên là Mặt Trăng, thiên thể gần Trái Đất nhất. Luna 1 là con tàu đầu tiên thắng được lực hấp dẫn của Trái Đất để bay đến gần Mặt Trăng và Luna 2 là con tàu đầu tiên tiếp cận bề mặt của Hằng Nga ngày 14 tháng 9 năm 1959. Thế kỷ 20 đã chứng kiến cuộc đua hướng tới Mặt Trăng với rất nhiều con tàu của hai cường quốc hàng không vũ trụ là Liên Xô và Mỹ đã được phóng lên. Sau chuyến bay của chú chó Laika trên tàu Sputnik 2 năm 1957, ngày 12 tháng 4 năm 1961, Yuri Gagarin đã trở thành người đầu tiên bay vào khoảng không gian gần Trái Đất bằng con tàu Vostok 1. Ngày 20 tháng 7 năm 1969, con tàu Apollo 11 đã đưa Neil Armstrong và Buzz Aldrin đặt chân lên vệ tinh duy nhất của Trái Đất.
Tiếp theo Mặt Trăng, các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời cũng lần lượt được các thiết bị của con người tiếp cận, từ hành tinh gần Mặt Trời nhất là Sao Thủy cho đến Sao Hải Vương. Hiện nay các chương trình nghiên cứu kỹ hơn về những hành tinh này vẫn đang được tiếp tục triển khai.
Những tiến bộ trong ngành hàng không vũ trụ cũng tạo ra khả năng quan sát thiên văn tốt hơn nhờ các thiết bị quan sát bay trong khoảng không vũ trụ. Những kính thiên văn hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia Gamma, kính viễn vọng không gian Hubble... đã mở rộng rất nhiều khả năng quan sát do tầm hoạt động cũng như khắc phục được những trở ngại do bầu khí quyển của Trái Đất gây ra.