Vật lý học
Nghiên cứu > Lĩnh vực nghiên cứu > Vật lí thiên văn

Bài chi tiết: Vật lý thiên văn và Vũ trụ học vật lý
Thiên văn học và thiên văn vật lí là một ngành ứng dụng các lí thuyết và phương pháp của vật lí học để nghiên cứu cấu trúc sao, tiến hóa sao, nguồn gốc và sự hình thành Hệ Mặt Trời, sự hình thành các hành tinh, thiên hà, cho đến những cấu trúc lớn trong vũ trụ. Nó cũng nghiên cứu lịch sử khởi đầu và kết thúc của vũ trụ... Thiên văn vật lí là một ngành rộng, các nhà vật lí thiên văn phải áp dụng nhiều nhánh của vật lí học bao gồm cơ học thiên thể, điện từ học, cơ học thống kê, nhiệt động lực học, cơ học lượng tử, thuyết tương đối, vật lí hạt...
Thiên văn học ban đầu gồm những nghiên cứu quan sát qua kính thiên văn mặt đất với hạn chế trong độ phân giải và phạm vi hẹp của bước sóng quang học. Năm 1931 nhà thiên văn Karl Jansky phát hiện ra tín hiệu vô tuyến có nguồn gốc từ các thiên thể trên bầu trời và mở đầu cho một ngành mới là thiên văn vô tuyến. Trong những thập niên gần đây, tiền phương của thiên văn học đã được mở rộng hơn khi con người bước vào kỷ nguyên thám hiểm vũ trụ với các công nghệ tiên tiến áp dụng từ những ngành khác của vật lí học cho phép xây dựng được những kính thiên văn không gian, tàu thăm dò liên hành tinh, và Trạm vũ trụ Quốc tế ISS. Không những thế, phạm vi bước sóng quan sát đã được thực hiện trên toàn miền bước sóng điện từ, vô tuyến, hồng ngoại, quang học, tử ngoại, tia X cho đến tia gamma. Thậm chí các nhà thiên văn vật lí thực nghiệm đang xây dựng những đài quan trắc neutrino, máy dò tia vũ trụ như AMS-02, hay thậm chí là cơ sở mặt đất cũng như thiết bị không gian thăm dò sóng hấp dẫn.
Vật lí vũ trụ học nghiên cứu sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ trên phạm vi lớn nhất của nó. Trong lĩnh vực này thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đóng vai trò trung tâm của các lí thuyết vũ trụ học hiện đại. Đầu thế kỷ XX, các khám phá của Hubble cùng một số nhà khoa học khác cho thấy vũ trụ đang giãn nở, như được chỉ ra bằng định luật Hubble. Khám phá này cùng với phát hiện về bức xạ phông vi sóng vũ trụ là một trong những chứng cứ mạnh mẽ ủng hộ thuyết Vụ Nổ Lớn về sử khởi đầu của vũ trụ và loại bỏ lí thuyết trạng thái dừng của vũ trụ. Cuối thế kỷ XX, dựa trên quan sát các siêu tân tinh loại Ia các nhà vật lí thiên văn đã bất ngờ phát hiện ra vũ trụ không những đang giãn nở mà sự giãn nở đang tăng tốc, không như trước đây cho rằng sự giãn nở này phải chậm lại.
Lí thuyết Big Bang trở lên thành công với những tiên đoán của sự sinh ra các nguyên tố nhẹ trong tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn, về bức xạ tàn dư vi ba phát hiện năm 1964 và về cấu trúc lớn của vũ trụ quan sát được. Mô hình Vụ Nổ Lớn dựa trên hai trụ cột chính: thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein và nguyên lí vũ trụ học. Các nhà vũ trụ học hiện nay đưa ra mô hình ΛCDM, mô hình bao gồm Vụ Nổ Lớn như là điểm khởi đầu khai sinh vũ trụ - hay mô hình chuẩn của vũ trụ học. Mô hình miêu tả về sự tiến hóa và thành phần của vũ trụ cũng như trạng thái tối hậu của nó, với các lí thuyết phụ thêm như vũ trụ lạm phát ở thời điểm Big Bang; các thành phần năng lượng tối, vật chất tối và vật chất baryon.
Nhiều khám phá mới xuất phát từ việc thu thập dữ liệu và phân tích chúng do những kính thiên văn không gian gửi về. Ví dụ dữ liệu từ Kính thiên văn không gian tia gamma Fermi quan sát trong nhiều năm mang lại cho các nhà vật lí thiên văn cái nhìn mới về hoạt động của vũ trụ và cho phép họ đánh giá những mô hình lí thuyết trong vật lí vũ trụ học. Đặc biệt hơn, với những dự án kính thiên văn mặt đất và trong không gian mới khi đi vào hoạt động sẽ giúp các nhà khoa học vén được bức màn bí ẩn của vật chất tối và năng lượng tối trong thập niên tới. Kính thiên văn Fermi cũng như máy đo phổ kế từ alpha AMS-02 sẽ tìm kiếm manh mối tồn tại của những hạt khối lượng lớn tương tác rất yếu với vật chất baryon, bên cạnh đó dữ liệu bổ sung từ ngành vật lí hạt ở các thí nghiệm trên các máy gia tốc như LHC và những máy dò khác sẽ mang lại cái nhìn bao quát cho các nhà vật lí từ cấp vi mô đến vĩ mô. Khi kính thiên văn không gian James Webb được phóng lên, nó sẽ nhìn xa hơn vào quá khứ của vũ trụ và các nhà khoa học sẽ tìm hiểu được tốt hơn lịch sử sơ khai của vũ trụ.
Trong phạm vi Hệ Mặt Trời, các tàu thăm dò đã viếng thăm gần hết các hành tinh chính và đang hành trình đến những vùng rìa Hệ Mặt Trời và không gian liên sao. Một số tàu như Voyager 1 đã gửi về những dữ liệu quý giá về vùng nhật quyển và gió Mặt Trời ở những nơi xa nhất, giúp cho các nhà vật lí thiết lập mô hình chính xác hơn về cấu trúc hệ Mặt Trời ở phạm vi ngoài xa xôi.