銀河
現在、星形成が盛んに行われる場所はおしなべて小さく、冷たいガスがあまり消耗されていない銀河である。天の川銀河のような渦巻銀河では、星間に漂う水素の分子雲が密集するような場所でしか新しい恒星は生まれない。楕円銀河のガスはほとんど消費されているため、新しい星が生み出される事はほとんど無い。星形成の材料は有限であり、恒星が水素を重い元素に合成し続ければ、やがて尽きて新たな星は誕生できなくなると考えられている。
1000億年ほどが経過すると、天の川銀河などはおとめ座銀河団の各銀河と合体し、超巨大楕円銀河に纏まってしまうと考えられている。そして、それまでに宇宙の膨張は続き、他の銀河は見かけ上、光速を超える速度で遠ざかるため観測できなくなってしまう。
「星の時代」が衰えを見せ、小さくより寿命が長い赤色矮星ばかりが銀河系の中心要素となり、もはや恒星が誕生しなくなるのは10兆から100兆年(10 – 10年)後と見られている。そして星の時代末期は、コンパクト星、褐色矮星、より冷えた状態の白色矮星や黒色矮星、中性子星、そしてブラックホールによって銀河が作られている状態となり、見かけの色も暗い赤色を経てやがて輝きを失う。最終的に、重力の緩和時間を過ぎれば、全ての星は超大質量ブラックホールに飲み込まれるか、あるいは衝突を繰り返して銀河間空間に放り出されるかの結果が待っている。
なお、ダークエネルギーが異なる未来図を描く可能性もある。宇宙を膨張させる謎の力とされるダークエネルギーが将来増加すれば、銀河は纏まるよりも早く加速度的な膨張の中で膨れ上がり、やがて引き裂かれる事も考えられている。このシナリオはビッグリップと呼ばれる宇宙の終焉像の一現象である。
薄い円盤状の回転する星々や星間物質で構成され、通常は中心部に近くなるほど古い星が多くなる。そして、中央の銀河バルジから比較的明るい渦巻き腕状の構造が伸びている。ハッブル分類では、S で示され、小文字 (a,b,c) で腕の粗密やバルジの規模を表し、Sa(湾曲度合いが大きく個別の識別が不明瞭な腕を持ち、大きなバルジを持つ) やSc(腕は開放的で、そのバルジは小さい) 等と表記される。そのほか、羊毛状渦巻銀河(わずかな腕だけのもの)(または毛ふさ状渦巻銀河)や、グランドデザイン渦巻銀河(しっかりと識別可能で湾曲具合が激しい腕が観察できるもの)などもある。
腕は、一様に回転する星の相互作用から、対数螺旋に近似した形状を持つ。星々と同様に、腕はバルジを中心に回転し、その角速度は一定である。この渦巻く腕は高密度の物質が集まる領域、もしくは密度波と考えられている。
1944年、ヘンドリク・ファン・デ・フルストは恒星間にある原子状水素ガスが放つマイクロ波である21cm線の存在を予言した。これは、1951年に観測された。この放射線は宇宙塵による吸収の影響を受けないため、ドップラー効果を測れば銀河内におけるそれぞれの運動位置を確定できるため、天の川銀河の研究に役立った。この観測によって、天の川銀河にも棒渦巻銀河のような構造があるかも知れないという仮説が提唱された。
1970年代、ヴェラ・ルービンの研究から銀河の回転曲線問題が提唱された。銀河中の星からガスまでの視認可能な物質の総量が、これら物質の回転速度から考えられている値に足りていないというものである。この辻褄を合わせるため、巨大な質量を持ちながら不可視の暗黒物質が存在すると説明された。
1990年初頭、ハッブル宇宙望遠鏡が天体観察能力を格段に進歩させた。その成果の一つに、もし天の川銀河が暗黒物質を失えば、本質的には微小に過ぎない星々だけでは維持できないという事が確認された。また、ハッブル・ディープ・フィールドと呼ばれる夜空の星がない部分へ長時間露光することで捉えられる領域を撮影した結果から、宇宙には約1250億個の銀河がある証拠が見つかった。人間が視認できない電磁スペクトルを検知する電波望遠鏡や赤外線カメラまたはX線望遠鏡などの技術開発は、ハッブル宇宙望遠鏡では撮影不能な観測を実現した。特に、銀河面吸収帯と呼ばれる天の川によって視認できない領域の先を調査可能とし、数多い銀河の発見に至った。