Galaksi
galaksi sebesar Andromeda sebelumnya, bukti akan tabrakan Bima Sakti dengan galaksi katai yang lebih kecil pada masa lalu semakin banyak.
Interaksi skala besar semacam itu jarang terjadi. Seiring dengan berjalannya waktu, penggabungan dari dua sistem yang berukuran sama menjadi semakin jarang terjadi. Kebanyakan galaksi terang secara fundamental tetap tidak berubah selama beberapa miliar tahun terakhir, dan laju bersih pembentukan bintang mungkin mencapai puncaknya juga pada kira-kira sepuluh miliar tahun yang lalu.
Saat ini kebanyakan pembentukan bintang terjadi pada galaksi yang lebih kecil, dimana gas dingin belum begitu terkuras. Galaksi spiral seperti Bima Sakti, hanya memproduksi bintang-bintang generasi baru selama mereka masih memiliki awan molekul padat, berisi hidrogen antarbintang, di lengan spiralnya. Galaksi-galaksi eliptis hampir tidak memiliki gas ini lagi, sehingga tidak
membentuk bintang baru lagi. Persediaan bahan pembentuk bintang di alam semesta terbatas. Begitu bintang-bintang selesai mengubah persediaan yang ada dari hidrogen menjadi unsur yang lebih berat, pembentukan bintang baru akan berakhir.
Era pembentukan bintang yang sedang berlangsung saat ini diperkirakan akan terus berlanjut sampai 100 miliar tahun ke depan. Kemudian "zaman bintang" akan berangsur-angsur memudar setelah sekitar 10-100 triliun tahun (1013-1014tahun), saat bintang terkecil dan terlama hidup, katai merah kecil, mulai meredup. Pada akhir zaman bintang, galaksi hanya akan terdiri dari
objek-objek kompak: katai coklat, katai putih yang sedang mendingin atau yang sudah dingin ("katai hitam"), bintang neutron, dan lubang hitam. Akhirnya, sebagai hasil dari relaksasi gravitasi, semua bintang akan terjatuh ke pusat lubang hitam supermasif atau dapat terlempar ke ruang antargalaksi sebagai akibat dari tabrakan.
Survei terhadap langit jauh menunjukkan bahwa galaksi sering kali ditemukan relatif berdekatan dengan galaksi lain. Galaksi terasing yang selama satu miliar tahun terakhir tidak berinteraksi secara signifikan dengan galaksi lain yang bermassa sebanding, relatif langka. Hanya sekitar 5% dari galaksi yang disurvei ditemukan benar-benar terpencil. Namun, formasi terpencil ini
mungkin pernah berinteraksi atau bahkan bergabung dengan galaksi lain pada masa lalu, dan mungkin masih diedari oleh beberapa galaksi satelit yang lebih kecil. Galaksi terpencil[note 2] bisa menghasilkan bintang dengan laju yang jauh di atas normal, karena gas dalam galaksi yang demikian tidak terlucuti oleh gravitasi galaksi lain.
Dalam skala terbesar, alam semesta ini terus mengembang, mengakibatkan jarak antara tiap galaksi rata-rata bertambah (lihat hukum Hubble). Hubungan antar galaksi dapat menghambat pengembangan ini dalam skala lokal melalui tarikan gravitasi timbal balik mereka. Hubungan ini terbentuk di awal alam semesta, saat gumpalan materi gelap tiap galaksi menarik galaksinya masing-masing untuk saling
mendekat. Kelompok-kelompok galaksi yang berdekatan kemudian bergabung untuk membentuk gugus-gugus berskala lebih besar. Proses penggabungan yang berlangsung (serta aliran gas yang tertarik) memanaskan gas antar galaksi dalam gugus galaksi ke suhu yang sangat tinggi, mencapai 30-100 juta derajat celsius. Sekitar 70-80% massa sebuah gugus galaksi berada dalam bentuk materi gelap, sedang 10-30% terdiri dari gas panas ini dan beberapa persen sisanya dalam bentuk galaksi.
Kebanyakan galaksi di alam semesta terikat secara gravitasi ke sejumlah galaksi lain. Hal ini menciptakan sebuah hierarki yang berbentuk seperti fraktal dari struktur-struktur alam semesta, dengan gabungan terkecil dinamakan kelompok galaksi. Kelompok galaksi adalah jenis kumpulan galaksi yang paling umum, serta kelompok-kelompok tersebut mengandung sebagian besar galaksi (serta sebagian
besar massa barionik) di Alam Semesta. Untuk tetap terikat secara gravitasi dalam kelompok yang seperti itu, masing-masing galaksi anggota harus memiliki kecepatan yang cukup rendah untuk mencegahnya terlepas (lihat teorema Virial). Namun, jika energi kinetik tidak mencukupi, sebuah kelompok galaksi dapat berubah menjadi kelompok dengan jumlah galaksi lebih sedikit dengan penggabungan galaksi.
Struktur yang lebih besar, berisi ribuan galaksi yang berkumpul dalam suatu daerah yang panjangnya beberapa megaparsec, disebut gugus galaksi. Gugus galaksi sering kali didominasi oleh sebuah galaksi eliptis berukuran raksasa, yang dapat dikenali sebagai galaksi paling terang dalam gugus tersebut. Galaksi ini dari waktu ke waktu dengan gaya pasang surut
gravitasi akan menghancurkan galaksi-galaksi satelitnya dan menyerap mereka ke dalam dirinya sendiri.
Gugus raksasa (supercluster) berisi puluhan ribu galaksi, yang dapat berupa gugus galaksi, kelompok galaksi atau kadang-kadang galaksi tersendiri. Dalam skala gugus raksasa, galaksi tersusun dalam lapisan-lapisan dan untaian-untaian yang mengelilingi sebuah kehampaan yang luas. Di atas skala ini, alam semesta tampak sama di semua arah (isotropis dan homogen).
Galaksi Bimasakti sendiri merupakan anggota kelompok galaksi yang disebut Kelompok Lokal (Local Group); sebuah kelompok galaksi yang relatif kecil dan memiliki diameter sekitar satu megaparsec. Galaksi Bima Sakti dan Andromeda adalah dua galaksi paling terang dalam kelompok ini; kebanyakan galaksi anggota lainnya merupakan galaksi katai satelit dari kedua galaksi.
Kelompok Lokal sendiri merupakan bagian dari sebuah struktur seperti awan yang berada dalam gugus raksasa Virgo (Virgo supercluster), sebuah struktur luas berukuran besar dari kelompok-kelompok dan gugus-gugus galaksi yang terpusat pada gugus Virgo.
Setelah diketahui bahwa terdapat galaksi-galaksi di luar Bima Sakti, pengamatan-pengamatan awal yang dilakukan kebanyakan menggunakan cahaya kasat mata. Radiasi puncak kebanyakan bintang memang berada dalam spektrum ini, sehingga pengetahuan yang berhubungan dengan pengamatan terhadap bintang-bintang pembentuk galaksi merupakan bagian penting dari bidang astronomi optik. Spektrum ini juga
cocok digunakan untuk mengamati wilayah-wilayah H II yang terionisasi, dan untuk memeriksa distribusi lengan debu galaksi.
Debu yang ada dalam medium antarbintang sulit ditembus oleh cahaya kasat mata, namun lebih transparan terhadap cahaya inframerah-jauh. Sebab itu cahaya inframerah-jauh dapat digunakan untuk mengamati dengan rinci daerah dalam awan molekul raksasa dan daerah inti galaksi. Inframerah juga digunakan untuk mengamati galaksi jauh yang mengalami geseran merah, yang
terbentuk pada masa awal alam semesta. Uap air dan karbon dioksida menyerap sebagian dari spektrum inframerah yang dapat dimanfaatkan, sehingga teleskop yang terletak di dataran tinggi atau di ruang angkasa digunakan untuk astronomi inframerah.
Penelitian pertama terhadap galaksi dalam spektrum cahaya tak kasat mata, khususnya galaksi aktif, dilakukan menggunakan frekuensi radio. Atmosfer bumi hampir transparan terhadap gelombang antara 5 MHz sampai 30 GHz. (Ionosfer menghalangi sinyal di bawah rentang ini). Interferometer radio berukuran besar digunakan untuk memetakan semburan-semburan aktif yang dipancarkan dari inti galaksi aktif.
Teleskop radio dapat juga digunakan untuk mengamati atom-atom hidrogen netral di luar angkasa (lewat radiasi gelombang 21 cm), kemungkinan termasuk materi tak terionisasi di alam semesta awal, yang kemudian runtuh membentuk galaksi.
Sinar ultraungu dan teleskop sinar x dapat digunakan untuk mengamati fenomena tinggi energi galaksi. Sebuah suar ultraungu teramati ketika sebuah bintang di galaksi yang jauh tercabik-cabik akibat gaya pasang surut gravitasi sebuah lubang hitam. Distribusi gas panas dalam gugus galaksi dapat dipetakan dengan menggunakan sinar x. Keberadaan lubang hitam supermasif pada inti galaksi juga dibuktikan dengan astronomi sinar x.