يطبق علم الفيزياء الفلكية قوانين الفيزياء على الأجرام السماوية. فهو يتساءل عن كيفية تألق النجوم، وكيفية تشكل المجرات، وكيفية انحناء الضوء بفعل الثقوب السوداء، وكيف كان الكون في بداياته. لا يكتفي هذا العلم بوصف ما هو موجود في الكون، بل يشرح أسباب وجوده.

الأدوات المتاحة واسعة النطاق. تشرح الفيزياء النووية كيف تدمج النجوم الهيدروجين لتكوين الهيليوم. تحكم الديناميكا الحرارية بنية باطن النجوم. يصف علم الكهرومغناطيسية كيف تُسرّع المجالات المغناطيسية الجسيمات في التوهجات الشمسية ورياح النجوم النابضة. تتنبأ النسبية العامة بسلوك الجاذبية بالقرب من الثقوب السوداء وعبر الكون المتوسع. تشرح ميكانيكا الكم الإشعاع منذ اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

يعمل علماء الفيزياء الفلكية مع البيانات المستقاة من التلسكوبات الأرضية والفضائية. يبنون نماذج، ويجرون محاكاة، ويقارنون التنبؤات بالملاحظات. وعندما يختلفان، فإما أن يكون النموذج خاطئًا أو الملاحظة خاطئة. وكلا النتيجتين تساهمان في تطوير هذا المجال.

إن هذا العمل يدعو إلى التواضع. الكون أكبر وأقدم وأغرب مما تخيله أي شخص قبل قرن من الزمان. علم الفيزياء الفلكية هو الوسيلة التي نحاول من خلالها فهمه.