400年前，伽利略第一次將望遠鏡指向天空。這一開創性的偉大壯舉，將天文學研究從視覺觀測發展到利用工具觀測，不僅擴展了觀測範圍，亦使天文觀測的精度大為提高，從而開啟了天文學觀測的新時代。400年來，從光學望遠鏡到射電望遠鏡、空間望遠鏡，這些科學儀器的發展使人類的視野從光行走一小時距離的太陽系，擴展到幾十萬光年的銀河系，直至百億光年尺度的宇宙深空。
伽利略第一次將望遠鏡指向天空意味著什麼？此後隨望遠鏡技術的發展，人類具有里程碑意義的天文發現又有哪些？“
1609年秋，意大利科學家伽利略，將荷蘭人利帕什發明的放大率僅兩三倍的放大鏡筒改造成放大率為30倍的望遠鏡，第一次將其對準天空，人類不曾見過的天象奇觀即刻呈現眼前：銀河系由無數星體組成，月球表面並不平整，木星周圍環繞4顆衛星，太陽有黑子，金星有盈虧……
人類“走”出太陽系，將視野投向銀河系的恆星世界。
恆星世界是天文學研究最為系統的一個領域，這當然包括太陽--它是距人類最近的一顆恆星。恆星能源研究獲得的成就，是第一個獲得諾貝爾物理學獎的天文項目。
1938年，美國物理學家貝特提出核反應理論，其中包括恆星能量來源問題。他認為太陽中心溫度極高，太陽核心的氫核聚變生成氦核，其釋放的大量能量成為太陽光和熱的源泉；“質子－質子鏈”和“碳氮循環”中的一系列核反應，足以提供恆星的輻射能量。
通過望遠鏡，再配以光譜儀，就可以測量天體上的元素，瞭解恆星的一些成分。這個研究把恆星演化與元素起源聯繫了起來。20世紀50年代，科學家提出了恆星元素起源的學說，使恆星演化得到了很大的發展。現在已經知道，恆星演化最終有三個歸宿，即：白矮星、中子星和黑洞。同時還給出了白矮星的質量上限。
20世紀20年代，天文學界發生的一場大爭論使人類“走”出銀河系，將視野投向廣袤的星系世界：一些旋渦星雲，究竟是銀河系內由氣體組成的星雲還是銀河系外與銀河系同級由恆星組成的星系？美國科學家1924年使用美國威爾遜山天文臺2.54米望遠鏡觀測的結果證明：這些旋渦星雲，實際上是銀河系外另一些“銀河系”，稱河外星系或簡稱星系，當然亦有一些其他形狀的星系，如橢圓星系等。從此，人類觀測的星系達千億個以上。
1929年，哈勃用同一架望遠鏡觀測更遠一些的星系，發現它們的譜線波長長於該譜線的標準波長，這種譜線波長的相對增長量被稱為紅移，與距離成正比。這個現象說明：觀測到的波長長於發出時的波長，正是宇宙膨脹的表現，是宇宙學最重要的特徵。這一發現在天文學上具有頭等重要的意義。
1946年～1948年，美科學家從宇宙膨脹得到啟發提出大爆炸宇宙學。根據這個學說，人們可明確地算出，宇宙在誕生後僅3分鐘時即經歷了一個氦合成時代，產生了4種產物：氘、氦－3、氦－4、鋰，它們成為今天用以證明宇宙最初3分鐘的“考古文物”；而在宇宙誕生38萬年時，又經歷了另一個重要過程即質子與電子複合成氫原子的過程，亦留下一件“考古文物”，那就是微波背景輻射。這些“考古文物”均被今天的觀測所精確證實。
傳統的天文學是看天並解釋星光帶來的信息，然而太空天體並非只發出可見光，除此還有其他波長的輻射，其中天體的無線電波即射電波，可到達地表，成為除可見光以外的第二個地面觀測窗口。20世紀40年代第二次世界大戰結束之後，射電天文學迅速發展起來並取得一系列重要發現：星際分子、類星體、脈衝星、微波背景輻射等，都是研究可見光之外的輻射而獲得的天文學成就，號稱射電天文的四大發現。第一個發現射電波的是美國一位青年工程師央斯基。現在，射電強度的單位就是以央斯基的名字命名的。
值得注意的是，這射電四大發現之一的脈衝星就是上面說到的中子星的一種表現形式。脈衝星的觀測不僅大大加深了對中子星的瞭解，而且它還提供了一個極為精確的定時信號，可用來研究引力波等重大基礎物理問題，還有導航等高新技術應用價值。而射電四大發現的另一個，即微波背景輻射，是確認大爆炸宇宙學的最強的證據.
脈衝星首先是由喬瑟琳·貝爾發現的，她發現了一個非常穩定而又奇怪的脈衝信號，經與導師多次討論，認為它是由一個新的天體發出的。在排除了一切其他可能性之後，劍橋的天文學家們最終確定這是一種奇特的天體，並稱之為“脈衝星”，公之於世。後來，科學家發現了一個雙中子星狀態的脈衝星，並對其堅持了近20年的精確觀測，給出了暗示引力波存在的證據。
微波背景輻射首先是在1964年~1965年偶然發現的。科學家們原是為了降低天線的噪聲，改善其性能，卻無意中發現了微波背景輻射。由於天線靈敏度不高，他們測出微波背景輻射各個方向上的溫度是一樣的。但是，要完全解釋今天觀測到的宇宙恆星、星系的分佈結構，各個方向上的溫度應該有約十萬分之一的差異。後來，科學家用COBE衛星上的儀器，確實觀測到了這十萬分之一的溫度差異。
現代天文學的視野已經遠遠超出了可見光和射電等地面觀測設備所及的範圍。由於空間技術的發展，人們不僅把地面上的光學望遠鏡等送入太空，如哈勃望遠鏡，大大改進了觀測能力，而且，還把X射線、伽馬射線等的觀測設備送入太空，發展成了全波段天文學。正因如此，今天的天文學有了突飛猛進的發展。
10年前，科學家組成的兩個小組，利用Ia型超新星作標準燭光，發現了宇宙正在加速膨脹。此前，幾乎所有人都認為宇宙膨脹一定是減速的，因為萬有引力對膨脹只起減速作用。宇宙加速膨脹這一發現表明，要麼存在斥力，要麼存在暗能量即負壓強的物質。這無論對天文學或者物理學，都將引發重大變革。
這些里程碑式的重大成就，造就了今天的精確宇宙學時代，不僅協調給出了宇宙學主要參數的精確值，而且明確給出了宇宙中3種物質成分的定量組成：可見物質（通常物質）佔4％、暗物質佔23％、暗能量佔73％。
人們突然發現，人類已經認識的所有物質，竟然只佔6％，宇宙中還有94％的物質人類還一無所知！未知的海洋還在我們面前！
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