Vật lý thiên văn áp dụng các định luật vật lý vào các vật thể trên bầu trời. Nó đặt ra các câu hỏi về cách các ngôi sao tỏa sáng, cách các thiên hà hình thành, cách các lỗ đen bẻ cong ánh sáng và vũ trụ trông như thế nào trong những giây phút đầu tiên. Lĩnh vực này không chỉ đơn thuần mô tả những gì tồn tại ngoài kia, mà còn giải thích tại sao.

Bộ công cụ này rất rộng. Vật lý hạt nhân giải thích cách các ngôi sao tổng hợp hydro thành heli. Nhiệt động lực học chi phối cấu trúc bên trong các ngôi sao. Điện từ học mô tả cách các trường từ tính gia tốc các hạt trong các vụ bùng phát mặt trời và gió xung. Thuyết tương đối rộng dự đoán hành vi của trọng lực gần các lỗ đen và trên khắp vũ trụ đang giãn nở. Cơ học lượng tử giải thích bức xạ từ những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn.

Các nhà vật lý thiên văn làm việc với dữ liệu từ các kính viễn vọng trên mặt đất và trong không gian. Họ xây dựng các mô hình, chạy mô phỏng và so sánh các dự đoán với các quan sát. Khi hai kết quả trái ngược nhau, thì hoặc mô hình sai hoặc quan sát sai. Cả hai kết quả đều góp phần thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

Công việc này khiến ta khiêm nhường. Vũ trụ rộng lớn hơn, lâu đời hơn và kỳ lạ hơn bất kỳ ai tưởng tượng cách đây một thế kỷ. Vật lý thiên văn là cách chúng ta cố gắng lý giải điều đó.