400年前，伽利略第一次将望远镜指向天空。这一开创性的伟大壮举，将天文学研究从视觉观测发展到利用工具观测，不仅扩展了观测范围，亦使天文观测的精度大为提高，从而开启了天文学观测的新时代。400年来，从光学望远镜到射电望远镜、空间望远镜，这些科学仪器的发展使人类的视野从光行走一小时距离的太阳系，扩展到几十万光年的银河系，直至百亿光年尺度的宇宙深空。
伽利略第一次将望远镜指向天空意味着什么？此后随望远镜技术的发展，人类具有里程碑意义的天文发现又有哪些？“1609年秋，意大利科学家伽利略，将荷兰人利帕什发明的放大率仅两三倍的放大镜筒改造成放大率为30倍的望远镜，第一次将其对准天空，人类不曾见过的天象奇观即刻呈现眼前：银河系由无数星体组成，月球表面并不平整，木星周围环绕4颗卫星，太阳有黑子，金星有盈亏……
人类“走”出太阳系，将视野投向银河系的恒星世界。恒星世界是天文学研究最为系统的一个领域，这当然包括太阳--它是距人类最近的一颗恒星。恒星能源研究获得的成就，是第一个获得诺贝尔物理学奖的天文项目。1938年，美国物理学家贝特提出核反应理论，其中包括恒星能量来源问题。他认为太阳中心温度极高，太阳核心的氢核聚变生成氦核，其释放的大量能量成为太阳光和热的源泉；“质子－质子链”和“碳氮循环”中的一系列核反应，足以提供恒星的辐射能量。
通过望远镜，再配以光谱仪，就可以测量天体上的元素，了解恒星的一些成分。这个研究把恒星演化与元素起源联系了起来。20世纪50年代，科学家提出了恒星元素起源的学说，使恒星演化得到了很大的发展。现在已经知道，恒星演化最终有三个归宿，即：白矮星、中子星和黑洞。同时还给出了白矮星的质量上限。20世纪20年代，天文学界发生的一场大争论使人类“走”出银河系，将视野投向广袤的星系世界：一些旋涡星云，究竟是银河系内由气体组成的星云还是银河系外与银河系同级由恒星组成的星系？美国科学家1924年使用美国威尔逊山天文台2.54米望远镜观测的结果证明：这些旋涡星云，实际上是银河系外另一些“银河系”，称河外星系或简称星系，当然亦有一些其他形状的星系，如椭圆星系等。从此，人类观测的星系达千亿个以上。
1929年，哈勃用同一架望远镜观测更远一些的星系，发现它们的谱线波长长于该谱线的标准波长，这种谱线波长的相对增长量被称为红移，与距离成正比。这个现象说明：观测到的波长长于发出时的波长，正是宇宙膨胀的表现，是宇宙学最重要的特征。这一发现在天文学上具有头等重要的意义。1946年～1948年，美科学家从宇宙膨胀得到启发提出大爆炸宇宙学。根据这个学说，人们可明确地算出，宇宙在诞生后仅3分钟时即经历了一个氦合成时代，产生了4种产物：氘、氦－3、氦－4、锂，它们成为今天用以证明宇宙最初3分钟的“考古文物”；而在宇宙诞生38万年时，又经历了另一个重要过程即质子与电子复合成氢原子的过程，亦留下一件“考古文物”，那就是微波背景辐射。这些“考古文物”均被今天的观测所精确证实。
传统的天文学是看天并解释星光带来的信息，然而太空天体并非只发出可见光，除此还有其他波长的辐射，其中天体的无线电波即射电波，可到达地表，成为除可见光以外的第二个地面观测窗口。20世纪40年代第二次世界大战结束之后，射电天文学迅速发展起来并取得一系列重要发现：星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射等，都是研究可见光之外的辐射而获得的天文学成就，号称射电天文的四大发现。第一个发现射电波的是美国一位青年工程师央斯基。现在，射电强度的单位就是以央斯基的名字命名的。值得注意的是，这射电四大发现之一的脉冲星就是上面说到的中子星的一种表现形式。脉冲星的观测不仅大大加深了对中子星的了解，而且它还提供了一个极为精确的定时信号，可用来研究引力波等重大基础物理问题，还有导航等高新技术应用价值。而射电四大发现的另一个，即微波背景辐射，是确认大爆炸宇宙学的最强的证据.
脉冲星首先是由乔瑟琳·贝尔发现的，她发现了一个非常稳定而又奇怪的脉冲信号，经与导师多次讨论，认为它是由一个新的天体发出的。在排除了一切其他可能性之后，剑桥的天文学家们最终确定这是一种奇特的天体，并称之为“脉冲星”，公之于世。后来，科学家发现了一个双中子星状态的脉冲星，并对其坚持了近20年的精确观测，给出了暗示引力波存在的证据。微波背景辐射首先是在1964年~1965年偶然发现的。科学家们原是为了降低天线的噪声，改善其性能，却无意中发现了微波背景辐射。由于天线灵敏度不高，他们测出微波背景辐射各个方向上的温度是一样的。但是，要完全解释今天观测到的宇宙恒星、星系的分布结构，各个方向上的温度应该有约十万分之一的差异。后来，科学家用COBE卫星上的仪器，确实观测到了这十万分之一的温度差异。
现代天文学的视野已经远远超出了可见光和射电等地面观测设备所及的范围。由于空间技术的发展，人们不仅把地面上的光学望远镜等送入太空，如哈勃望远镜，大大改进了观测能力，而且，还把X射线、伽马射线等的观测设备送入太空，发展成了全波段天文学。正因如此，今天的天文学有了突飞猛进的发展。10年前，科学家组成的两个小组，利用Ia型超新星作标准烛光，发现了宇宙正在加速膨胀。此前，几乎所有人都认为宇宙膨胀一定是减速的，因为万有引力对膨胀只起减速作用。宇宙加速膨胀这一发现表明，要么存在斥力，要么存在暗能量即负压强的物质。这无论对天文学或者物理学，都将引发重大变革。
这些里程碑式的重大成就，造就了今天的精确宇宙学时代，不仅协调给出了宇宙学主要参数的精确值，而且明确给出了宇宙中3种物质成分的定量组成：可见物质（通常物质）占4％、暗物质占23％、暗能量占73％。人们突然发现，人类已经认识的所有物质，竟然只占6％，宇宙中还有94％的物质人类还一无所知！未知的海洋还在我们面前！
