Contrairement à la plupart des autres sciences de la nature, qui ont une forte base expérimentale, l'astronomie est une science principalement observationnelle et théorique. Elle est intrinsèquement liée à la physique, et l'astrophysique, qui applique les lois de la physique aux phénomènes astronomiques, est aujourd'hui couramment considérée comme synonyme de l'astronomie moderne. Elle utilise les mathématiques comme outil fondamental et interagit fortement avec d'autres domaines comme la chimie (pour comprendre la composition des objets cosmiques), la géologie (pour l'étude des planètes telluriques), et l'informatique (pour la gestion et l'analyse de quantités massives de données, ainsi que pour les simulations numériques des processus cosmiques).

Les visages de l'astronomie...

Le travail de l'astronome observationnel implique non seulement l'acquisition de données (imagerie, spectroscopie, photométrie, etc.) mais aussi leur traitement et leur analyse préliminaire pour en extraire des informations mesurables (position, luminosité, composition chimique, vitesse, température, etc.). Ces données brutes ou analysées servent ensuite de base à l'astrophysique et à l'astronomie théorique pour tester, affiner ou élaborer de nouvelles théories et modèles.

L'astronomie observationnelle se subdivise en plusieurs domaines distincts, définis par la portion du spectre électromagnétique étudiée (visible, infrarouge, radio, X, etc.) ou par le type de messager cosmique détecté (neutrinos, ondes gravitationnelles, rayons cosmiques) :

• L'astronomie optique utilise la lumière visible pour observer des étoiles, galaxies, nébuleuses ou supernovae, grâce à des télescopes terrestres géants (à Hawaii, au Chili, aux Canaries, notamment) ou spatiaux comme le télescope spatial Hubble.

• L'astronomie infrarouge étudie le rayonnement infrarouge des objets lointains, caractéristique de la chaleur qu'ils émettent, permettant d'observer des régions obscures de l'espace, comme les nébuleuses de formation d'étoiles ou les disques protoplanétaires, avec des télescopes comme le James Webb Space Telescope (JWST).

• L'astronomie radio (ou radioastronomie) détecte les ondes radio émises par des objets comme les pulsars, les amas galactiques ou les gaz interstellaires, avec des instruments comme le Very Large Array (VLA).

• L'astronomie ultraviolette et X observe dans les domaines ultraviolet et X du spectre et analyse les phénomènes énergétiques tels que les étoiles à neutrons, les trous noirs ou les éruptions solaires, grâce à des satellites comme Chandra ou XMM-Newton.

• L'astronomie gamma observe le rayonnement gamma émis par des événements extrêmement énergétiques comme les sursauts gamma, avec des missions comme Fermi.

• Astronomie des rayons cosmiques. - Les observatoires de rayons cosmiques, tels que Pierre Auger en Argentine et Telescope Array aux États-Unis, utilisent de vastes champs de détection pour capturer les particules secondaires produites lorsque les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère terrestre, formant des cascades de particules connues sous le nom de douches atmosphériques.

• Astronomie des neutrinos. - Les détecteurs de neutrinos, tels que Super-Kamiokande au Japon, IceCube en Antarctique, et DUNE aux États-Unis, sont conçus pour capter ces particules évanescentes et étudier leurs propriétés, comme leur masse, leur oscillation et leur origine.

• Astronomie gravitationnelle. - Discipline plus récente , l'atronomie gravitationnelle a pour objectif principal la détection et l'analyse des ondes gravitationnelles, des perturbations de l'espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale d'Einstein. En détectant ces ondes avec des instruments géants très sensibles comme LIGO, Virgo ou KAGRA, les astronomes gravitationnels obtiennent des informations sur la nature de ces objets compacts, les processus gravitationnels extrêmes et les conditions dans l'univers précoce. 

Indépendamment de l'étude des ondes gravitationnelles et des instruments qui lui sont spécifiques, un autre versant de l'astronomie gravitationnelle est celui de l'étude de mirages gravitationnels dus à des déformation de l'espace temps sous le l'effet d'importants champs de gravitation. Ce domaine relève principalement, sur le plan observationnel de l'astronomie optique et infrarouge.

Astrochimie. 
L'astrochimie étudie la composition chimique et les réactions chimiques qui se produisent dans l'univers, en particulier dans le milieu interstellaire, les nuages moléculaires, les régions de formation stellaire, les disques protoplanétaires, les atmosphères planétaires, les comètes, les astéroïdes et les météorites. Elle cherche à identifier les molécules présentes dans l'espace (des plus simples comme H2 aux plus complexes comme certains acides aminés ou des hydrocarbures aromatiques polycycliques - PAH), à comprendre comment elles se forment et évoluent dans les conditions extrêmes (basse température, faible densité, rayonnement intense) du milieu spatial, et à déterminer comment cette chimie influence la formation et l'évolution des objets cosmiques. L'astrochimie utilise principalement la spectroscopie (analyse du "code-barres" lumineux des molécules) ainsi que des expériences en laboratoire reproduisant les conditions spatiales et des modèles théoriques de réseaux de réactions chimiques. Elle est fondamentale pour comprendre l'origine de l'eau, des molécules organiques complexes et d'autres éléments essentiels qui pourraient être des briques dont sont faits les organismes vivants.

Astronomie théorique.
L'astronomie théorique utilise les mathématiques, la physique et des modèles informatiques pour décrire, expliquer et prédire les phénomènes astronomiques. Là où l'observation décrit ce qui est vu / détecté et l'astrophysique explique comment cela fonctionne sur la base de la physique, l'astronomie théorique construit des cadres conceptuels et numériques pour simuler des processus cosmiques qui peuvent être difficiles ou impossibles à observer directement ou à reproduire en laboratoire. Les théoriciens développent des modèles de la formation des étoiles et des galaxies, de la dynamique des systèmes planétaires, de l'évolution des trous noirs, de l'expansion de l'univers, etc. Ces modèles permettent de parcourir différentes hypothèses, de comprendre les relations de cause à effet dans des environnements extrêmes, et de faire des prédictions qui peuvent ensuite être testées par les astronomes observationnels. Le dialogue est constant entre l'astronomie théorique et observationnelle : les observations guident les modèles théoriques, et les prédictions théoriques motivent de nouvelles observations.
-

L'observatoire Keck, avec les coupoles de ses télescopes géants, au sommet
du Mauna Kea (Hawaii). Source : The World Factbook.

... selon ses objets.
Planétologie.
La planétologie est une branche transversale qui se concentre spécifiquement sur l'étude des planètes, de leurs satellites et anneaux, et des environnements et milieux qui leurs sont attachés (atmosphères, surfaces, intérieurs). Elle étudie aussi bien les objets du Système solaire (ex. : la Lune, Jupiter, les astéroïdes, les comètes) que les exoplanètes, qui sont les planètes découvertes autour d'autres étoiles que le Soleil. Cette discipline combine des données issues de missions spatiales (comme Perseverance sur Mars ou Cassini à Saturne), d'observations terrestres et de modèles théoriques pour comprendre les processus géologiques, climatiques et l'évolution des mondes. Elle aborde des questions comme la présence d'eau, les potentialités d'apparition et d'évolutions d'organismes vivants, ou les mécanismes de formation des systèmes planétaires. La planétologie s'appuie étroitement sur l'astronomie observationnelle pour analyser les images, les spectres et les données physiques recueillies.

Astrobiologie.
L'astrobiologie ou exobiologie est un champ d'étude interdisciplinaire, relié à la planétologie, qui s'intéresse à l'origine, à l'évolution, à la distribution et au futur des organismes vivants dans l'univers, y compris sur Terre. Elle combine des connaissances issues de l'astronomie, de la biologie, de la chimie, de la géologie et d'autres domaines pour répondre à des questions fondamentales : comment les organismes vivants sont-ils apparus? où pourraient-ils exister ailleurs dans l'univers? comment pourrions-nous les détecter (recherche de biosignatures)  Quelles sont les conditions nécessaires à l'apparition de ces organismes et à leur pérennité? L'astrobiologie étudie les environnements potentiellement habitables au-delà de la Terre (comme les exoplanètes situées dans la zone habitable de leur étoile, ou les satellites glacés de planètes géantes du Système solaire), les organismes extrêmophiles sur Terre (qui vivent dans des conditions similaires à celles trouvées ailleurs dans le Système solaire), les molécules organiques trouvées dans l'espace et sur d'autres corps célestes, et les mécanismes d'origine des phénomènes qui caractérisent en propre les organismes vivants. C'est un domaine en pleine expansion, fortement lié à la recherche d'exoplanètes et aux missions d'exploration planétaire.

Astronomie stellaire.
L'astronomie stellaire se concentre sur l'étude des étoiles individuelles et des petits groupes d'étoiles. Elle s'intéresse aux propriétés physiques des étoiles, telles que leur masse, leur température, leur luminosité, leur rayon, leur composition chimique et leur âge, propriétés qui contribuent à classer les étoiles dans différentes catégories ou types. Les astronomes stellaires interrogent la formation des étoiles à partir de nuages de gaz et de poussière, à leur évolution tout au long de leur présence sur la séquence principale, puis aux étapes finales de leur existence qui peuvent mener à des géantes rouges, des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs stellaires, en fonction de leur masse initiale. Ils étudient également les systèmes stellaires multiples (binaires, triples, etc.), les étoiles variables dont la luminosité fluctue, et les phénomènes comme les éruptions stellaires ou les vents stellaires. L'objectif est de comprendre la nature et le comportement de ces blocs fondamentaux de l'univers.

Astronomie galactique.
L'astronomie galactique se consacre à l'étude de notre propre galaxie, la Voie Lactée. Elle cherche à comprendre sa structure globale. Cela comprend le bulbe central, le disque spiral avec ses bras, le halo de matière sombre et d'amas globulaires, et les courants stellaires. Les astronomes galactiques étudient la composition de la Voie Lactée en termes de populations d'étoiles différentes (jeunes, vieilles), de gaz et de poussière interstellaires, et de matière sombre. Un aspect important est la dynamique de la galaxie : sa rotation, les mouvements des étoiles et du gaz en son sein, et les processus qui régissent sa forme et son évolution. L'astronomie galactique vise à reconstituer l'histoire de la formation et de l'évolution de notre galaxie depuis ses débuts jusqu'à aujourd'hui, et à comprendre notre place au sein de cet immense système.

Astronomie extragalactique.
Au-delà des limites de notre propre galaxie, se trouve le domaine de l'astronomie extragalactique. Cette branche étudie tous les objets situés en dehors de la Voie Lactée, principalement les autres galaxies. Elle classe les galaxies selon leur morphologie (spirales, elliptiques, irrégulières), analyse leur formation, leur évolution au cours des milliards d'années, et leurs interactions, notamment les collisions et les fusions de galaxies. L'astronomie extragalactique s'intéresse également aux structures plus vastes que les galaxies forment, comme les amas et superamas de galaxies, ainsi qu'aux vastes vides entre ces structures, révélant la structure à grande échelle de l'univers. L'étude des phénomènes énergétiques extrêmes, tels que les noyaux galactiques actifs (AGN), les quasars et les blazars, alimentés par des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, est également un pan important de cette discipline. 

Astrophysique des particules et des ondes gravitationnelles.
L'astrophysique des particules (ou physique des astroparticules)  étudie les particules élémentaires d'origine cosmique, telles que les rayons cosmiques (particules chargées de haute énergie) ou les neutrinos. Ces messagers cosmiques ne sont pas des photons et fournissent des informations uniques sur les processus les plus violents et les plus extrêmes de l'univers, ainsi que sur la nature fondamentale des particules.

• Les rayons cosmiques sont des particules chargées de haute énergie, principalement des protons et des noyaux d'atomes lourds, qui parcourent l'espace à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils proviennent d'une variété de sources, y compris des supernovae, des trous noirs supermassifs au coeur des galaxies, et d'autres phénomènes violents dans l'univers. L'étude des rayons cosmiques vise à comprendre les mécanismes d'accélération de particules dans l'univers, les conditions de l'espace interstellaire et intergalactique, ainsi que les interactions des particules avec les champs magnétiques cosmiques. 

• Les neutrinos sont des particules subatomiques élémentaires qui interagissent très faiblement avec la matière, ce qui les rend extrêmement difficiles à étudier. Ils sont produits par des réactions nucléaires et des désintégrations radioactives, notamment dans le Soleil, les supernovae, et d'autres sources cosmiques. L'astrophysique des neutrinos se concentre sur l'étude de ces particules pour comprendre les processus énergétiques et les conditions extrêmes qui existent dans les objets célestes. Par exemple, lors de la supernova 1987A, des détecteurs de neutrinos ont capté une brève explosion de ces particules, confirmant les théories sur la manière dont les étoiles massives explosent et se transforment en naines blanches ou en pulsars.

• Les ondes gravitationnelles sont produites par des événements cosmiques extrêmement violents impliquant des masses considérables et de fortes accélérations,  tels que la fusion de trous noirs, la fusion d'étoiles à neutrons, ou potentiellement l'explosion d'une supernova. 

Importance de l'astronomie

L'astronomie a également été à l'origine de nombreuses avancées technologiques, notamment en optique, en informatique et en imagerie, qui trouvent aujourd'hui des applications dans la médecine, la communication ou encore la navigation. Elle stimule la curiosité, la réflexion scientifique et l'innovation. Sur un plan plus philosophique, elle pousse l'humanité à réfléchir à sa propre existence.

Enfin, face aux enjeux contemporains comme les changements climatiques ou les menaces d'astéroïdes, l'astronomie apporte des outils d'observation et de prévision précieux pour assurer la sécurité et la durabilité de notre planète. Elle relie passé, présent et futur dans une quête commune de connaissance.
-

L'astronomie. 
Gravure d'Andreas Matthaeus Wofggang (1660-1736).

Jean Heyvaerts, Astrophysique, étoiles, univers et relativité, (licence,master) Dunod, 2006. - L'astrophysique a pour objet de comprendre la physique de l'origine, de la structure et de l'évolution des objets de l'Univers. Cet ouvrage donne une vision globale des principaux objets astrophysiques - des étoiles à l'Univers - etétablit la synthèse entre leur nature, d'une part, et leur description et interprétation physique d'autre part. Cette complémentarité est l'un des attraits que peut présenter l'astrophysique pour qui étudie la physique. Le livre propose, pour chaque aspect de la physique mis en oeuvre, une présentation succincte qui ne requiert comme connaissances préalables que les lois fondamentales de la dynamique et de la mécanique quantique. Des exercices corrigés, à lafin de chaque chapitre, permettent à l'étudiant de valider les principes de la physique appliqués à l'astrophysique. (couv.). Michel Cassé, Théories du ciel - espace perdu, temps retrouvé, Rivages, 2005. - Shakespeare affirmait qu'il y a plus de choses dans le ciel que dans toute la philosophie. Le ciel de l'astrophysicien n'est pas moins riche que le ciel du poète et celui du prophète. Mais il a quelque chance d'être plus vrai. Dans le ciel purifié de la physique tel que nous le décrit l'astrophysicien Michel Cassé, auteur de Du vide de la création (1993), tout est intelligible. Mais la clarté se paie d'un mystère, originel ou final. Dans les cénacles cosmologiques, la genèse est en cours de réécriture. (couv.). Daniel Kunth, Le grand univers et nous, petite conférence sur l'astronomie, Bayard, 2005. - Depuis des millénaires, le ciel inspire crainte et fascination. L'homme a d'abord souhaité lire dans le ciel la marque de sa destinée. Puis peu à peu l'astronomie s'est attachée a comprendre l'origine des astres qui constellent la nuit. Étoiles, planètes, nébuleuses fascinent les astronomes qui les traquent jour et nuit à l'aide de sondes spatiales, de satellites ou de puissants télescopes. L'homme qui n'a jamais pu supporter de vivre dans un univers qu'il ne comprend pas sait aujourd'hui se situer. Il sait pourquoi le soleil brille, il sait ce qui le relie aux étoiles, et que tout comme lui, l'univers a une histoire. Daniel Kunth nous explique simplement l'origine de l'univers, les derniers développements de l'astronomie, et tous ces mots très mystérieux qui nous parlent de notre monde. (couv.). Anton Vos, 300 questions à un astronome, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2005. - Cet ouvrage contient tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur l'astronomie sans même avoir songé à le demander. Durant quatre ans, de 1999 à 2002, l'Observatoire astronomique de l'Université de Genève a en effet ouvert un site Internet dans lequel le public était invité à poser toutes les questions qu'il souhaitait sur les planètes, les étoiles, les galaxies et bien d'autres objets exotiques de l'univers. Les réponses ont toutes été rédigées par les spécialistes de l'Observatoire, une trentaine ayant participé à l'exercice. Tous les types de questions s'y côtoient, des plus naïves aux plus complexes. Les chercheurs y ont répondu dans un langage accessible à tous.  (couv.).