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由于天文物理學(xué)是一門很廣泛的學(xué)問，天文物理學(xué)家通常需要應(yīng)用很多不同的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，像經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子力學(xué)、相對(duì)論、粒子物理學(xué)等等。天文物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大多數(shù)是依賴觀測(cè)電磁輻射獲得。比較寒冷的星體，像星際物質(zhì)或星際云會(huì)發(fā)射無線電波。
大爆炸后，經(jīng)過紅移，遺留下來的微波，稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要用到非常大的無線電望遠(yuǎn)鏡。太空探索大大地?cái)U(kuò)展了天文學(xué)的疆界。由于地球大氣層的干擾，紅外線、紫外線、伽馬射線和X射線天文學(xué)必須使用人造衛(wèi)星在地球大氣層外做觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。光學(xué)天文學(xué)通常使用加裝電荷耦合元件和光譜儀的望遠(yuǎn)鏡來做觀測(cè)。
由于大氣層會(huì)干涉觀測(cè)數(shù)據(jù)的品質(zhì)，還必須配備調(diào)適光學(xué)系統(tǒng)，或改用太空望遠(yuǎn)鏡，才能得到最優(yōu)良的影像。在這頻域里，恒星的可見度非常高。借著觀測(cè)化學(xué)頻譜，可以分析恒星、星系和星云的化學(xué)成份。理論天文物理學(xué)家的工具包括分析模型和計(jì)算機(jī)模擬。天文過程的分析模型時(shí)常能使學(xué)者更深刻地理解內(nèi)中奧妙;計(jì)算機(jī)模擬可以顯示出一些非常復(fù)雜的現(xiàn)象或效應(yīng)。大爆炸模型的兩個(gè)理論棟梁是廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)原理。由于太初核合成理論的成功和宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)證實(shí)，科學(xué)家確定大爆炸模型正確無誤。
最近，學(xué)者又創(chuàng)立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化，這模型涵蓋了宇宙膨脹(cosmic inflation)、暗能量、暗物質(zhì)等等概念。
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