Ngành thiên văn vật lý đang trên đà phát triển nhờ có những kính thiên văn
hoạt động trên nhiều miền sóng. Muốn nghiên cứu những thiên thể trong Vũ trụ,
các nhà khoa học phải quan sát trên những bước sóng trong phổ điện từ, từ bước
sóng gamma, X, tử ngoại, khả kiến, đến bước sóng hồng ngoại và vô tuyến. Những
môi trường có nhiệt độ cao phát ra bức xạ gamma và X. Những ngôi sao bình
thường như Mặt trời phát ra ánh sáng. Những thiên hà đang hình thành và những
ngôi sao còn trẻ, chưa đủ nóng nên chỉ phát ra bức xạ hồng ngoại và vô tuyến. Các nhà thiên văn chuyên nghiệp thường xuyên tiếp cận các kính thiên văn, máy thăm dò và máy tính công suất caọ Hầu hết công việc trong ngành thiên văn
bao gồm 3 công đoạn: Các nhà thiên văn trước hết quan sát các thiên thể bằng cách hướng các kính thiên văn và các thiết bị thu thập thông tin thích hợp. Sau đó, họ
phân tích hình ảnh và dữ liệụ Sau khi phân tích, họ so sánh kết quả đạt được với lý
thuyết đã có để xác nhận khám phá nào của họ là phù hợp với dự đoán bằng lý
thuyết hay không hoặc là có thể cải tiến lý thuyết hay không. Một số nhà thiên văn
Thiên văn học như là một đề tài rộng lớn mà các nhà thiên văn chuyên môn
trong một hoặc vài lĩnh vực nào đó. Ví dụ, nghiên cứu về hệ Mặt trời là một phần
khác biệt trong sự chuyên môn hóa so với việc nghiên cứu về các ngôi saọ Các nhà
thiên văn nghiên cứu về Dài ngân hà Milky Way thường sử dụng kĩ thuật khác so
với những kĩ thuật được sử dụng bởi các nhà thiên văn nghiên cứu về những thiên
hà xa hơn. Nhiều nhà thiên văn hành tinh học, như là các nhà khoa học nghiên cứu
về Sao Hỏa, có thể có nền tảng địa chất học và không thể xem họ là những nhà
thiên văn trong mọi lĩnh vực. Các nhà thiên văn chuyên về Mặt trời sử dụng các
kính thiên văn khác với các nhà thiên văn chuyên về bầu trời đêm bởi vì Mặt trời quá sáng. Các nhà thiên văn lý thuyết có thể không sử dụng kính thiên văn bao giờ
cả, thay vào đó, họ sử dụng dữ liệu đã có hoặc đôi khi chỉ nhắc lại các kết quả lý
thuyết đã có để phát triển và kiểm định những lý thuyết mới. Một lĩnh cực ngày
càng được tăng cường trong thiên văn là thiên văn vi tính hóa, trong đó các nhà thiên văn sử dụng máy tính để tái tạo các sự kiện thiên văn. Những sự kiện minh
họa cho việc tái tạo hữu hiệu gồm có: sự hình thành của các thiên hà trẻ nhất trong
vũ trụ hoặc vụ nổ của một ngôi sao để thành sao siêu mớị
Các nhà thiên văn nghiên cứu về các thiên thể bằng cách khảo sát năng lượng
mà chúng phát ra dưới dạng bức xạ điện từ. Bức xạ này truyền khắp vũ trụ từ dải
sóng cực ngắn – tia gamma, đến ánh sáng khả kiến và sóng vô tuyến rất dài trong toàn bộ phổ điện từ.Các nhà thiên văn tập hợp các bước sóng khác nhau của bức xạ điện từ phụ thuộc vào vật thể đang nghiên cứụ Kĩ thuật thiên văn thường rất khác biệt khi nghiên cứu các bước sóng khác nhaụ Các kính thiên văn truyền thống chỉ
làm việc trong vùng ánh sáng khả kiến và những vùng phổ gần khả kiến, như bước
sóng hồng ngoại ngắn nhất và bước sóng cực tím dài nhất. Khí quyển Trái đất gây
rắc rối cho những nghiên cứu của chúng ta do hấp thụ nhiều bước sóng của phổ điện
từ. Thiên văn vật lý bao gồm: Thiên văn tia Gamma, Thiên văn hồng ngoại, Thiên
văn cực tím, Thiên văn vô tuyến, Thiên văn khả kiến hay Thiên văn quang học, Thiên văn tia vũ trụ, Thiên văn sóng hấp dẫn, Thiên văn nơ-tri-no là các ngành thiên
Thiên văn quang học là ngành thiên văn chuyên nghiên cứu các thiên thể trên vùng ánh sáng quang học hay khả kiến. Phương tiện và kĩ thuật dùng trong thiên
văn quang học là các kính thiên văn quang học khúc xạ hoặc phản xạ. Do kĩ thuật
khúc xạ thiên văn có nhiều bất cập nên kính phản xạ được sử dụng phổ biến trong thiên văn quang học hiện naỵ
Kính thiên văn khúc xạ (refractor telescope) gồm hai thấu kính, một thấu kính có tác dụng hội tụ ánh sáng từ vật gọi là vật kính, một thấu kính phân giải ảnh
của vật tới mắt gọi là thị kính. Hạn chế của kính khúc xạ là ánh sáng từ vật tới là
ánh sáng tổng hợp bị tán sắc bởi thấu kính dẫn đến hình ảnh không trung thực nếu
bộ phận lọc không tốt. Thành tựu: Năm 1609, Galilei dựa trên phát kiến của
Lippershey đã tự chế tạo thành công chiếc kính thiên văn khúc xạ có độ phóng đại
là 30 lần. Galilei đã dùng kính này quan sát các vết đen Mặt Trời, các chuyển động
của Mặt Trăng và các hành tinh. Qua những quan sát đó, Galilei đã khám phá ra 4
vệ tinh lớn nhất của Sao Mộc (mà ngày nay chúng ta gọi là 4 vệ tinh Galilei, chúng
gồm: Ganimede, Calisto, Io và Europa), khám phá ra chu kì tự quay của Mặt Trời
dựa trên chu kì xuất hiện của các vết đen.
Kính thiên văn phản xạ (reflector telescope) khác với kính thiên văn khúc xạ,
nó hội tụ ánh sáng bằng phương pháp phản xạ: Vật kính là một gương cầu lõm hội
tụ ánh sáng tại tiêu điểm của gương. Một gương phẳng hay lăng kính được đặt
trước vật kính để thu chùm sáng hội tụ và đổi chiều dẫn nó đến thị kính là một thấu
kính hội tụ tiêu cự nhỏ. Kính thiên văn phản xạ như vậy cho ra hình ảnh có độ phân
giải cao hơn khá nhiểu so với kính thiên văn khúc xạ.
Kính thiên văn lớn nhất hiện nay trên thế giới là kính thiên văn VLT (Very
Large Telescope) mới được hoàn thành tại Chilẹ Nó là một kính thiên văn phản xạ
tổ hợp gồm 4 gương phản xạ có đường kính 8m. Chúng mang lại hiệu quả hình ảnh
phần dải hồng ngoạị Năm 2005, các nhà thiên văn học đã sử dụng tổ hợp kính này và chụp trực tiếp được bức ảnh đầu tiên về một hệ hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời - hệ 2M1207b quay quanh một ngôi sao trong chòm sao Hydra (Mãng xà) cách chúng ta
hơn 200.000 năm ánh sáng.
Đứng thứ 2 sau VLT là kính thiên văn phản xạ lớn nhất trước đây tại đài
thiên văn Keck trên núi Manua Kea - một ngọn núi cao 4200m cao nhất ở Hawaiị
Kính thiên văn lớn nhất ở đài thiên văn này là một gương tổ hợp do nhiều gương
nhỏ ghép lại có tổng đường kính là 15m.
Kính thiên văn vũ trụ Hubble được NASA phóng lên quĩ đạo ngày 25/4/1990
ở độ cao 600km. Đây là một kính thiên văn phản xạ tự động có đường kính của
gương là 2,4m. Mọi hoạt động của Hubble đều được điều khiển tự động, các hình
ảnh ghi nhận được đều là ảnh chụp trực tiếp từ Hubble và gửi thông tin về Trái
Đất. Những bức ảnh chụp trên vùng khả kiến từ Hubble tốt hơn 5 lần so với các
kính định vị trên mặt đất.
Hình 2.23. Kính thiên văn vũ trụ Hubblẹ
Tuy nhiên, bức xạ điện từ từ các ngôi sao hay thiên hà ở càng xa thì khi đến
với Trái Đất, bước sóng của chúng càng dãn dài ra (hiệu ứng Doppler). Do đó ánh sáng từ các ngôi sao đến với chúng ta không mang lại những hình ảnh hoàn toàn trung thực về ngôi sao đó, thậm chí rất nhiều ngôi sao, thiên hà mà ánh sáng của
chúng không thể đến được với chúng ta do trên đường đi, bước sóng của chúng đã dài ra trở thành các sóng hồng ngoại hay vô tuyến. Để thu được những thông tin
chính xác nhất có thể, các kính thiên văn hồng ngoại và vô tuyến ra đời thu các
bước sóng thích hợp nói trên và phân tích chúng trên các máy đo quang phổ, từ đó xác định khối lượng, thành phần và các tính chất khác của ngôi saọ Hiện nay, kính
thiên văn hồng ngoại không được sử dụng phổ biến như kính thiên văn vô tuyến do kính thiên văn vô tuyến thu được các bước sóng ở nhiều dải hơn, cả dải vô tuyến và dải hồng ngoại, quang học.
Tia X, tia Gamma bị hấp thụ bởi khí quyển trái đất nên Thiên văn tia X và Thiên văn tia Gamma sử dụng các kính thiên văn vũ trụ cỡ lớn gửi vào quỹ đạo quay quanh Trái đất. Cũng vậy, tầng khí quyển Trái đất ngăn chặn hầu hết các bức
xạ cực tím nên Thiên văn cực tím sử dụng kính thiên văn vũ trụ Hubble thu nhận
bức xạ cực tím, hình ảnh ghi nhận được các nhà khoa học xử lí bằng cách phân tách
màu sắc ánh sáng hoặc giảm cường độ bức xạ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Thiên văn hồng ngoại nghiên cứu các vùng phổ bức xạ hồng ngoại của các vật
thể khảo sát gửi tớị Bức xạ hồng ngoại cũng bị khí quyển Trái đất hấp thụ, vì vậy Đài Thiên văn hồng ngoại được đặt ở tầng khí quyển loãng (đỉnh núi cao) hoặc
ngay bên trên tầng khí quyển (trạm không gian). Thiên văn hồng ngoại có nhiều lợi
thế vì những vật thể không đủ nóng để phát ra ánh sáng khả kiến hay cực tím vẫn có
thể phát ra bức xạ hồng ngoại và bức xạ hồng ngoại thì có khả năng xuyên qua môi
trường bụi khí giữa các sao hay ngân hà tốt hơn những bức xạ có bước sóng ngắn hơn. Hơn nữa, vùng phổ sáng nhất của bức xạ từ những ngân hà xa nhất được
chuyển về vùng hồng ngoại mà ta thu nhận được.
Thiên văn nghiên cứu bức xạ khác như nơ-tri-nô, tia vũ trụ, sóng hấp dẫn
không phải là bức xạ điện từ còn khá mới lạ đối với chúng ta (khuôn khổ có hạn, tài liệu không đề cập)
Mọi thông tin dữ liệu từ các đài thiên văn vũ trụ ở ngoài không gian được gửi
theo sóng vô tuyến truyền về mặt đất và được ghi nhận bởi các kính thiên văn vô
tuyến định vị trên mặt đất. Như vậy, thiên văn vô tuyến có giá trị và vai trò rất lớn
trong sự phát triển của ngành thiên văn vật lý.