天体物理学是天文学的一个分支，运用物理学来理解天体及相关过程。它研究恒星如何产生能量、星系如何形成、黑洞附近的物质如何运动和变化，以及宇宙如何演化，研究对象涵盖从原子相互作用到宇宙大尺度结构的各个层面。天体物理学并不只是记录天体的位置和外观，而是力求从物理学角度解释其组成、运动、辐射和演化。观测、理论计算、实验室测量和计算机模拟为这些研究提供了相互补充的证据。(lweb.cfa.harvard.edu)
历史发展
天体物理学起源于人们运用地面上的物理定律解释天体运动的尝试。艾萨克·牛顿建立的引力力学将行星轨道与物体下落的运动联系起来，为地球上和太空中的现象确立了统一的理论框架。不过，要确定遥远天体的物理性质，还需要采用位置测量以外的方法。(lweb.cfa.harvard.edu)
19世纪的光谱学带来了决定性的进展。1859年，古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生揭示了受热物质产生的特征发射线与太阳光谱中吸收线之间的关系。这使研究者能够通过与实验室光谱进行比较，识别太阳中的化学元素。光谱学和天文摄影的发展，使恒星不再只是可供追踪运动的光点，而成为可以研究其物理性质的对象。(history.aip.org)
20世纪，量子力学为原子光谱提供了解释，相对论则为研究强引力和宇宙演化提供了理论框架。核物理学阐明了核聚变如何为恒星提供能量。这些进展将天文观测与物质和能量的理论联系起来，使天体环境成为检验基础物理学的重要场所。(lweb.cfa.harvard.edu)
物理基础
引力支配着许多天体系统的聚集和运动。牛顿力学仍适用于大量轨道和结构计算；而要描述致密天体周围强烈弯曲的时空，则必须使用相对论中的广义相对论。相对论计算还能够预测并合系统发出的引力辐射。(lweb.cfa.harvard.edu)
电磁学决定了带电物质如何与辐射和磁场相互作用。宇宙中的许多物质以等离子体的形式存在，其行为可使流体运动与磁力相互耦合。热力学、原子物理学和核物理学有助于解释气体压强、加热与冷却、光谱发射以及能量产生。由于多种机制往往同时发挥作用，天体物理学的解释通常需要综合多个物理学分支。(lweb.cfa.harvard.edu)
主要研究领域
恒星天体物理学研究恒星的形成、内部结构和演化。恒星由坍缩的气体云形成；在主序阶段，其核心中的核聚变将氢转化为氦。恒星的质量在很大程度上决定了其光度、寿命和最终结局。类似太阳的恒星最终留下白矮星，而质量足够大的恒星可能发生核心坍缩，留下中子星或黑洞。(science.nasa.gov)
化学元素的产生过程，即核合成，将恒星演化与后续世代恒星及行星的组成联系起来。恒星风、爆发现象和并合事件会将经过这些过程转化的物质释放回周围空间。行星天体物理学研究行星系统如何形成，以及其大气和轨道如何演化，研究范围也包括太阳系以外的行星系统。(science.nasa.gov)
星系天体物理学研究星系的形成和动力学，包括恒星、气体、中心黑洞和暗物质之间的相互作用。暗物质的存在是通过其引力效应推断出来的，而不是通过通常的发光辐射发现的。星系模拟探索引力作用下的聚集和气体过程如何形成宇宙历史中观测到的各种结构。(science.nasa.gov)
宇宙学与天体物理学有所交叉，但关注的是作为整体的宇宙。大爆炸理论框架描述了宇宙从早期炽热、致密状态开始的演化。对宇宙微波背景、星系分布和宇宙膨胀的测量，为宇宙学模型提供了约束。暗能量是为解释宇宙加速膨胀而引入的一种尚未得到解释的成分，其物理本质仍未确定。(science.nasa.gov)
观测方法
大多数天文信息以电磁辐射的形式传来。仪器对电磁波谱中从无线电波到伽马射线的各个波段进行探测，揭示不同的物理条件。红外观测可以发现被尘埃遮蔽的天体，X射线则能显示高温气体和高能环境。由于地球大气允许某些波段的辐射穿透，却阻挡其他波段，地面观测设施与空间天文台能够相互补充。(science.nasa.gov)
望远镜收集辐射，而成像、光谱分析以及对亮度随时间变化的测量，则从中提取不同的信息。谱线能够揭示化学组成，并为温度、密度和运动提供约束。谱线的波长偏移可以反映径向速度或宇宙膨胀，但解释这些偏移需要采用恰当的物理模型。实验室测量为这类比较提供了所需的参考光谱。(cfa.harvard.edu)
多信使天文学将电磁观测与引力波、中微子和宇宙射线等信号结合起来。2017年8月17日，研究者通过中子星并合产生的引力波以及电磁辐射，观测到了GW170817事件。综合观测将致密天体并合与短伽马射线暴联系起来，并为并合抛射物中的重元素产生提供了证据。(science.nasa.gov)
理论、计算与解释
理论天体物理学构建能够给出可观测预言的数学解释。计算天体物理学将这些方法拓展到过于复杂、难以直接进行解析处理的系统，包括形成恒星的湍流气体、星系的聚集形成过程以及致密天体周围的环境。模拟使研究者能够改变假设，并将预测的结构或信号与测量结果进行比较。(cfa.harvard.edu)
解释观测结果时，必须考虑仪器效应和观测的不完整性。合成观测工具将模拟的物理系统转换为预测的探测器数据，从而能够更直接地与测量结果比较。这类比较有助于区分基础物理模型本身的不符与观测过程引入的差异，并确定现有证据能够约束天文源的哪些性质。(hea-www.cfa.harvard.edu)