Tähtitiede tutkii taivaallisia esineitä, ilmiöitä ja alkuperää. Yksi vanhimmista tieteistä, tähtitiedettä on harjoitettu esihistoriallisista ajoista lähtien. Nykyaikainen tähtitiede riippuu pitkälti hyväksytyistä fyysisistä teorioista, kuten Newtonin liikelait ja yleinen suhteellisuusteoria. Aiemmin tähtitiede oli jotain, mitä kuka tahansa voisi tehdä, ja monet näkijät ja viisaat tekivät maineen itselleen käyttämällä tähtiä hyödyllisiin toimintoihin, kuten kertomalla, mihin aikaan vuodesta se on, tai navigoimalla merillä. Columbus ja hänen aikalaisensa käyttivät tähtiä navigoidakseen Atlantin yli.
Vasta renessanssin aikana tähtitieteen helioentrisyysteoria, ajatus siitä, että maapallo kiertää aurinkoa eikä päinvastoin, alkoi hankkia suosittua valuuttaa. Heijastavat teleskoopit keksittiin 1600 -luvun alussa, ja Galileo Galilei käytti niitä yksityiskohtaisten havaintojen tekemiseen kuustamme, jonka hän paljasti vuoristoiseksi, ja tarkkailemaan Jupiterin neljää suurinta kuuta, jotka nyt on kutsuttu hänen kunniakseen Galilean kuiksi. Newton paransi Galileon suunnittelua ja keksi heijastavan teleskoopin, jota käytetään edelleen optisissa kaukoputkissa tähän päivään asti.
Vuonna 1781 Sir William Herschel löysi Uranuksen planeetan. Vuonna 1838 tähtien etäisyyden tarkkaan määrittämiseen käytettiin parallaksia – pientä eroa tähtien sijainnissa, joka johtuu maapallon sijainnista kiertoradallaan. Neptunus löydettiin pian sen jälkeen. Pluto löydettiin vasta vuonna 1930.
Nykyaikainen tähtitiede on erittäin monimutkaista ja kallista. Sen sijaan, että tarkkailisimme vain valonsäteitä, tarkastelemme tutkaa, infrapuna-, röntgen- ja jopa kosmisäteitä. Orbitaaliset observatoriot, kuten Hubble-avaruusteleskooppi, ovat tuottaneet parhaat kuvat, mukaan lukien erittäin korkean resoluution valokuvia muista galakseista.
20-luvun puolivälissä havaittiin, että maailmankaikkeus laajeni. Tämä yhdessä muiden todisteiden kanssa johti alkuräjähdyksen teoriaan, jonka mukaan koko maailmankaikkeus alkoi äärimmäisen tiheän pisteen hiukkasena. Myöhemmät havainnot kosmisesta mikroaaltotaustasta vahvistivat tämän, ja alkuräjähdys jatkuu kosmologisen alkuperän ensisijaisena teoriana tähän päivään asti.
Tähtitieteen tulevaisuus on uusien havaintoteknologioiden kehittämisessä. Yksi kiinnostava aihe on interferometria, jota joskus kutsutaan ”hyperteleskoopeiksi”, jotka käyttävät teleskooppiverkostoa yhteistyössä kuvien ratkaisemiseksi. Ne voivat kehittyä siihen pisteeseen, että voimme tarkkailla aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja suoraan kaukoputkilla sen sijaan, että vain havaitsisimme ne gravitaatiokirjoituksesta.