天文学是研究所有天体及其空间区域的学科。它是一门庞大的学科：实际上和宇宙一样大。它涵盖了从极小（行星和恒星形成的原子）到难以置信的巨大（数千个星系的超星系团，每个星系包含数十亿颗恒星）的各种物体。这些物体之间的距离也非常大，以至于地球上许多人熟悉的公里 (km) 等测量单位无法使用。
宇宙大约有 140 亿年的历史，包含的物质具有一系列特性，远远超出了地球上实验室可以复制的任何东西。恒星形成的稠密气体和尘埃云的温度范围接近绝对零度（−273.15 ºC），而恒星内部的温度高达数百万度。虽然星际空间并非空无一物，但其密度远低于地球上最好的真空室。在一些恒星残骸中，一块方糖大小的物质的质量可达 1 亿吨！除了数十亿个星系中一个相当普通的恒星附近那一小块区域，以及在宇宙存在的时间中只占很小一部分的区域之外，没有人探索或直接测量过宇宙，又怎么能对宇宙有如此多的了解呢？
“科学方法”涉及对现象或特性的观察或测量，然后提出假设（提出的想法）来解释它，该假设可以通过实验进行检验。实验结果可能证实或支持假设，也可能证明假设不正确，这两种情况都会增进我们的理解并导致进一步的可检验假设。这种客观方法允许不同的科学家重复实验以确认结果，并在获得的知识和理解的基础上继续发展。它支撑了现代科学的发展。然而，它不能应用于对宇宙大部分的研究，因为通常不可能进行实验来检验假设。我们只能观察宇宙并尝试解释可以看到的东西。如果假设有效，只能通过预测可能还会看到什么，然后尝试观察它来检验假设。与预测相符的观察结果提供了进一步的证据（但不一定是证据），证明假设是有效的。
当天文学家进行观测时，这将创建宇宙现在的快照。由此，天文学家必须尝试发现或推断宇宙中不同物体的属性、它们是如何形成的以及它们在 140 亿年的时间跨度内是如何演化的！许多天体需要数百万年甚至数十亿年才能演化。我们不可能希望记录任何需要几千年以上时间（有记录的历史长度）的过程，也不可能直接观察它超过几十年（科学家的工作寿命或许多现代天文学方法开发以来的时间）。恒星的演化过程通常需要很长时间，以至于任何人都无法看到其属性的明显变化（尽管也有例外）。但是，可以观察许多不同的恒星，它们都处于演化的不同阶段，并尝试构建它们彼此之间关系的图景，以了解演化过程，就像试图通过穿过森林来了解一棵树的生命周期一样。
宇宙的规模可以促进这一过程。物体可以通过它们发出的光被看见。这种光以非常高但有限的速度传播，大约每秒三十万公里。恒星之间的距离如此遥远，以至于即使以这种速度，光也需要几年的时间才能从最近的恒星到达我们。这就是使用“光年”作为距离测量单位的起源。
来自其他星系的光可能需要数百万年甚至数十亿年才能到达我们。这意味着更遥远的星系可以像数十亿年前一样被看到。更强大的望远镜使我们能够看到更遥远的物体，使我们能够有效地观察更远的过去，并更好地了解宇宙和星系是如何形成和演化的。