科学家相信在宇宙空间的一些区域有如此巨大的引力把过于接近它的任何物质都吸进去，它们的作用就像巨大的吸尘器。这些物质——不论是彗星、行星或者一团气体云——将被压缩到无限大的密度，从此永远不见了。引力如此强大，它牵曳时间和空间，把时间拖慢了，把空间伸展了。甚至光也不能逃脱强烈的引力牵曳，所以黑洞保留黑色并且是看不见的。美国物理学家约翰·惠勒将这些黑的狼吞虎咽的区域命名为黑洞。
黑洞似乎更像科学幻想而不像真实。事实上，黑洞概念是理论物理学家幻想的产物，真实的黑洞至今也没有被结论性的发现所证实。但从1915年爱因斯坦发展他的相对论之后，科学家已经认为黑洞有可能存在。它将夺取光的全部能量，用捕捉行星大气的同样方式捕捉光。引力要达到这样强度，引力源必须是一个极致密的天体，一个质量很大而又压缩到很小空间内的天体。1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西计算出如何压缩恒星使它的引力能捕捉住光。根据史瓦西的计算，像太阳大小的恒星——直径为1392000千米——将缩到直径小于3千米。
1939年，美国物理学家尤里乌斯·罗伯特·奥本海默和哈特兰·S斯奈德发现比太阳大得多的恒星可能变得这样小。在恒星的大部分生命期间，它的大小保持不变，因为在它的内部存在力的平衡，燃烧核燃料产生的热使恒星向外膨胀，而引力拉恒星向内收缩。最后，约几十亿年，恒星耗尽了它的核燃料并因它本身的引力而坍缩。奥本海默和斯奈德证明如果恒星的质量是太阳的32倍，坍缩就不可阻止。
科学家相信地球所在的银河系内可能隐藏着多达1亿个由恒星坍缩而留下的黑洞。1990年在新墨西哥的甚大阵射电望远镜取得了银河系中心的细像，显示从中心发出惊人的能量爆发。一些科学家相信这将确认在银河中心存在质量为太阳400万倍的黑洞。科学家利用哈勃空间望远镜于1992年发现在附近的一个星系中有存在质量为太阳300万倍的黑洞的有指望的迹象。
因为黑洞是看不见的，天文学家利用它们的效应以确定它们的位置。物质向黑洞中心旋进时将快速地发射可察觉的X射线脉冲。1965年，天文学家观察到来自1万光年外的天鹅星座的强X射线。1971年，全球第一颗X射线人造卫星极精确地确定这些X射线源的准确位置。它是一个看不见的大质量天体，天文学家命名它为天鹅座X-1。天鹅座X-1可能证明为第一个确认的黑洞。
宇宙大爆炸
1929年，天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现。这个发现在很大程度上导致这样的结论：所有的河外星系都在离我们远去。即宇宙在高速地膨胀着。这一发现促使一些天文学家想到：既然宇宙在膨胀，那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家勒梅特认为，现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的。这是大爆炸说的前身。美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想，于1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸学说。
伽莫夫认为，宇宙最初是一个温度极高、密度极大的由最基本粒子组成的“原始火球”。根据现代物理学，这个火球必定迅速膨胀，它的演化过程好像一次巨大的爆发。由于迅速膨胀，宇宙密度和温度不断降低，在这个过程中形成了一些化学元素，然后形成由原子、分子构成的气体物质。气体物质又逐渐凝聚成星云，最后从星云中逐渐产生各种天体，成为现在的宇宙。
这种学说一般人听起来非常离奇，不可思议。在科学界，也由于这个学说缺乏有力的观测证据，因而在它刚刚问世时，并未予以普遍的响应。
到了1965年，宇宙背景辐射的发现使大爆炸说重见天日。原来，大爆炸说曾预言宇宙中还应该到处存在着“原始火球”的“余热”，这种余热应表现为一种四面八方都有的背景辐射。特别令人惊奇的是，伽莫夫预言的“余热”温度竟恰好与宇宙背景辐射的温度相当。另一方面，由于有关的天文学基本数据已被改进，因此根据这个数据推算出来的宇宙膨胀年龄，已从原来的50亿年增到100—200亿年，这个年龄与天体演化研究中所发现的最老的天体年龄是吻合的。由于大爆炸说比其他宇宙学说能够更多、更好地解释宇宙观测事实，因此愈来愈显示出它的生命力。
现在，大多数天文学家都接受了大爆炸说的基本思想，不少过去不能解释的问题正在逐步解决，它是最有影响、最有希望的一种宇宙学说。
天文台
1987年2月24日晨，智利两个天文台的天文学家看见大麦哲伦云中有明亮的爆发，这个爆发的恒星后来称为超新星1987A，标志着自1604年以来第一颗肉眼可见的超新星。全世界有数以千计的天文台不断地监测、测量和分析这些天文现象。针对远离地球的各种对象的天文台是最常见的观象台类型。
天文台大至拥有甚大天线阵的庞大国立射电天文台，小至数百个天文爱好者的小型天文台。天文台的目的是收集有助于了解宇宙及其各种成分的性质的信息。
各天文台观测过的许多天体中有行星、恒星、彗星、星系、类星体和星云。即使是最简单的天文台，也可以详细地观察其光线要经过数千年以上才能到达地球的恒星。最大和最复杂的天文台日常研究其光线要经过100亿年以上才能到达地球的天体。某些专门的天文台甚至可检测某些形式的高能辐射，例如来自大气层以上的丁射线和X射线。
小型望远镜
望远镜的两个最重要因素是聚光能力和放大率。一个人用双目望远镜（两个望远镜装在一个框架上）或小型望远镜，容易观测肉眼看不到的许多天体。太阳、月球、行星和所谓的深空天体——星云、星团和星系——用颇简单的仪器都可以看见。
观测者用这些仪器可数出太阳的黑子数并测量其大小和位置。因为太阳非常明亮，望远镜的主透镜或反射镜可以很小。为了避免眼睛严重受损，决不要用一架没有适当滤光片的望远镜直接注视太阳。太阳甚至对于肉眼也太亮。日食期间人们想观看被部分地遮住的太阳，但是，即使太阳表面有很小一部分保留可见，也能损害视网膜，并在眼中留下一个永久性的盲点。
观察日食或太阳黑子的一种好办法就是，用一片望远镜目镜将太阳的明亮影像投射到一个屏幕或白色纸板上。还有一种更好的办法，就是采用一个太阳滤光片，它可用光亮的薄铝层完全遮住望远镜的入射口。这种材料可反射大部分阳光并将其亮度减小到正常强度的十万分之一以下，从而使观察安全。
月球是可用望远镜研究的一个迷人的天体。用一架50倍以下的望远镜，可看见环形山、山脉和黑暗的月“海”。用200—300倍的望远镜可详细地看见其高低不平的特征。最好的观察位置是沿着月球上黑暗与明亮部分的分界所形成的线，在这里日光照亮了较高的地方。观察月食总是安全的，因为月光比日光弱得多。月食期间，天文爱好者可观测某些环形山进入地球阴影的时间。
大型望远镜
大型望远镜具有较大透镜或反射镜的望远镜可聚集较多的光，最适用于在低放大率下观测暗淡彗星、小行星和空间深处的天体。透镜为6毫米或更大的双目望远镜有时称为“彗星搜索镜”，因为许多彗星都是天文爱好者用这种双目望远镜扫描日出或日落前后的黄道带而发现的。许多天文爱好者研磨自己的望远镜反射镜并将它们装在不昂贵的木制望远镜镜筒中。有一种望远镜称为多布森望远镜，根据圣弗朗西斯科人行道天文爱好者协会的约翰·多布森的姓氏命名。带着直径508厘米或更大的望远镜，有些天文爱好者艰苦跋涉到山区，以寻找可以看清只能用大型仪器才能看见的遥远星团和星系。
高倍望远镜
对于行星，最好是用100—300倍的高倍望远镜来观测。之所以需要这样的放大率，是为了使它们的影像大得可以观察清楚。倍数更高时，地球的大气通常引起影像变形。建议采用折射望远镜或称透镜式望远镜。高倍反射望远镜的光路中有一个小的二次反射镜和若干个支柱，可散射一部分光线，其清晰度降低。另一方面，透镜可因本身的某些效应而使影像呈现不良颜色。可用滤色片减少影像中某些颜色，以加大行星各特征之间的反差。例如，黄色或蓝色滤光片可使木星云的图形更清晰，而红色滤光片可使火星表面的暗区更明显。这些细节对于认真的天文爱好者很重要。例如，月球和行星观测者协会有700多名会员绘制了各行星特征的详细草图，并追踪了绕太阳运行的若干模糊天体的运动。
研究银河系中数以千计的已知变星的天文爱好者组织已完成大量的研究。这些星的亮度在膨胀和收缩的过程中，以数日或数周为周期而起变化。美国变星观测者协会（AAVS0）的会员们对于各变星亮度的波动，已进行过数百万次观测。该组织绘制了变星视场图和主要变星的光变曲线，这是在其他地方几乎不可能得到的大量信息的来源。大部分欧洲国家及许多其他国家也有组织良好的变星观测组织。
天文爱好者用良好的望远镜可记录的另一种类型的事件称为掩星。当月球（一个行星），甚至一个小行星通过空间时，有时也会经过一个恒星的前面。该恒星会在地球上某一地理位置上被短时间“掩蔽”。如果此事件的时间被准确地记录下来，并且该观测者的位置已知，就可能很准确地确定该运动天体的速度和位置。如果该恒星重新出现的时间也被记录，并且可从若干个观测者收集到信息，则可能确定在该恒星前面经过的该天体的直径。已成立了一个名为国际掩星定时协会（10TA）来收集这些数据。
利用曝光表和高速电子仪器，甚至可能在遥远星球消失时测量它的变暗过程。这种信息可用于计算该恒星的直径。
时间
在我们的日常生活中，我们感受到时间有时流得快，有时就慢，这取决于我们对活动的专心程度。物理科学家和工程师把时间作标准，用来量度他们完成一些事有多久。对于生物科学家，时间的概念包含生命体的自然时间循环，例如每天的睡眠和清醒的循环。
不同的文化在不同的时代对时间的认识是不一样的。在一些宗教中，时间——特别是地球上人类的时间——被认为是循环轮回的，人们死后又投生再投生地循环不已。一些古希腊哲学家相信，时间是幻觉，真理是不变、不动的。一些主要宗教教谕人们，时间是神创造的，并注定要终止在一个可怕的末日。牛顿相信时间和空间是绝对的、理想的和不变的。他的观点被爱因斯坦的相对论推翻了，相对论需要人们考虑时——空组合体系，这和我们的常识相矛盾。
历法
自古以来，人类就利用天体在天球上的运动来计量时间，因为这种运动既均匀，又能为一切人所观测、所共用。首先是太阳的东升西落运动，可以用来计量“日”以内的时间，如日、时、分和秒。我们干日所说的1日等于24小时，就是太阳周日视运动的平均周期。“日”以上的时间单位，还有“月”和“年”。所谓历法，正是测算年、月、日的长度及其相互关系，并排定实用的历月、历年以至世纪的法则。
历法中最基本的单位，是朔望月和回归年。一朔望月等于295306日，它是鲜明的月相变化的周期，又与潮汐和日食、月食现象有关，因而最早被人们用来计算日子。一回归年等于3652422日，这是太阳直射点在地球赤道南北回归运动的周期，因而是地球上季节变化的周期；如果以它为周期来循环计算日子，日期就能体现节令或农时，因而对农业生产有重要的意义。
不过，回归年和朔望月并不是日的整数倍，而实际应用的年和月，即历书或日历上的历年和历月，却又必须是日的整数倍。例如，不能想象把一个月定为2953天，也不能让所有的历年都为365天。因为这样做，一年两年问题不大，但年代一长，误差累计起来，日期就不能正确反映节令了。
为了解决这个问题，人们只能采用交替排列大月、小月或大年、小年的办法，既使历年或历月含整数日子，又使历年或历月的平均值等于回归年或朔望月。如大月30天，小月29天，100个月中安排53个大月，就可使平均历月等于2953天，即相当近似地等于朔望月。
此外，回归年等于123683朔望月，两者间也不是整数倍。因此，如果将一年分为12个月，那么就无法兼顾年和月。例如，若平均历月等于朔望月，那么1历年（12个历月）就不等于回归年；若1平均历年等于回归年，等于12个平均历月，那么1平均历月就不会等于朔望月。所以，古往今来各民族历法虽然很多，但不外乎三种类型：以回归年为基础的阳历；基于朔望月的阴历；还有打破一年12个月的传统，从而兼顾回归年和朔望月两个周期的阴阳历。