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天文學( astronomy )，是一門自然科學，它運用數學、物理和化學等方法來解釋宇宙間的天體，包括行星、衛星、彗星、恆星、星系等等，以及各種現象，如超新星爆炸、伽馬射線暴、宇宙微波背景輻射等等。廣義地來說，任何源自地球大氣層以外的現象都屬於天文學的研究範圍。
物理宇宙學[1]與天文學密切相關，但它把宇宙視為一個整體來研究。
天文學有着遠古的歷史。自有文字記載起，巴比倫、古希臘、印度天文學、古埃及天文學、努比亞、伊朗、中國、瑪雅以及許多古代美洲文明就有對夜空做詳盡的觀測記錄。
天文學在歷史上還涉及到天體測量學、天文航海、觀測天文學和曆法的制訂，今則一般與天體物理學同義。
到了20世紀，天文學逐漸分為觀測天文學與理論天文學兩個分支。觀測天文學以取得天體的觀測數據為主，再以基本物理原理加以分析；理論天文學則開發用於分析天體現象的電腦模型和分析模型。兩者相輔相成，理論可解釋觀測結果，觀測結果可證實理論。
與不少現代科學範疇不同的是，天文學仍舊有比較活躍的業餘社群。業餘天文學家對天文學的發展有着重要的作用，特別是在發現和觀察彗星等短暫的天文現象上。
歷史
早期天文學只能對肉眼可見的天體作預測。某些古代文化建造過可能具有天文觀測作用的巨大建築物，除了可以舉行儀式以外，還能用於判斷季節、耕收的日期以及一年的時長。
在望遠鏡發明之前，人們只能用肉眼觀察夜空。在美索不達米亞、古希臘、波斯、印度、中國、古埃及和中美洲等地，人們開始建造天文台，思索宇宙的本質。早期天文學以記錄恆星和行星在天上的位置為主，今天這項範疇稱為天體測量學。在這些觀測的基礎上，開始萌發出有關行星的運動、日月地在宇宙中的地位等的哲學思想。
理論天文學
理論天文學家的研究手段包括數學模型及用電腦做數值模擬，即天體物理學。數學模型一般能揭示天文現象背後更深層次的原理，數值模擬則可以演示現實中難以觀察的現象。
天文學未解之謎
儘管隨着天文學的驚人發展，人類已經對宇宙的認知有了翻天覆地的變化，但是在今天仍然有一些至關重要的天文學未解之謎。要解答這些謎題，有可能需要新的地面或太空觀測儀器，乃至理論和實驗物理上的新發展。
恆星質量分布從何而來？為什麼不論初始條件如何，天文學家[2]都會觀測到相同的初始質量函數？有待對恆星和行星的誕生過程有更深入的了解。
宇宙中是否存在其他生命體？是否存在其他智慧生物？如果存在，應如何解決費米佯謬？證實地球以外生物的存在，對許多科學和哲學問題有至關重要的意義。太陽系是平平凡凡，還是絕無僅有？
暗物質和暗能量的本質是什麼？這兩者在宇宙的發展和未來有着決定性作用，然而人類對它們的本質尚且一無所知。宇宙的終極命運是什麼？
第一批星系是如何形成的？特大質量黑洞是如何形成的？
超高能宇宙射線從何而來？
鋰元素在宇宙中的豐度為什麼比大爆炸模型所預測的低四倍？