恒星之间的空间叫星际空间，星际空间中有很多气体尘埃云。科学家们很早就了解到这些尘埃是由岩石物质的微粒和金属微粒组成，这些微粒集中在由恒星和行星构成的星系中，并最终形成一个小世界。关于这些气体，科学家们认为它们是由氧气和氦气组成的。虽然这些尘埃和气体很厚，它们的数量之大足够形成恒星或行星，但是科学家们认为这些物质分布在这么广阔的空间里，彼此之间没有碰撞和结合的机会，所以尘埃粒子一定非常小，气体也一定是由单一原子组成的。
1994年，德国天文学家约翰尼斯·弗朗兹·哈特曼首次获得了有关尘埃云的真正组成成分的知识，他测出了DeltaOnonis星的视向速度，并发现虽然有例外，但各种谱线仍像预测的那样在移动时特性相同。其中代表钙元素的谱线没有变动，即恒星在运动中不可能在身后留下钙元素。可是哈特曼表示，在恒星和基本上不运动的星际空间中，他探测到了钙元素。
当然，星际空间的主要组成部分是氢气。从1951年开始，美国天文学家威廉姆·韦尔森·摩根探测到了代表电离氢（氢气变热后使它的电子脱离了原子）的谱线。在银河系中有一些蓝白恒星，在这些蓝白恒星周围的氢气非常热，这些热的氢气形成了蓝白恒星的曲线轨道，所以我们银河系的结构不能简单地被看作是透镜形，它更像是一个风车，从中心部分伸出螺旋形的臂状物。
1.孕育生命的星际分子
星际分子的发现，是20世纪60年代轰动天文学界的一件大事。长期以来，天文学家认为在茫茫宇宙空间，除了恒星、恒星集团、行星、星云之类的天体物质，再没有什么别的物质了。直到20世纪初，人们还认为星际空间是一片真空。后来终于发现，在星际空间充满了各种微小的星际尘埃、稀薄的星际气体、各种宇宙射线以及粒子流。20世纪60年代在星际空间发现了大量有机分子云，云中含有各种复杂的有机分子。1968年，天文学家用大型射电望远镜，在银河中心区先后发现了氨（NH3）和水（H2O）的分子。它们的数量很多，在尘埃云的后面，形成体积巨大的“分子云”。不久，天文学家又发现了一种较复杂的有机分子——甲醛（CH2O）。它的分布十分广泛，不仅在银河中心区域有，在猎户座大星云和其他区域也有。此后，人们在宇宙太空中又陆续发现了更多的星际分子，其中有无机分子，也有有机分子。例如，羟基、一氧化碳、氰化氢、甲醇、乙醛、丙炔腈、甲胺等等。迄今为止，已发现的星际分子有五十多种。
星际分子的发现，在天文学研究上具有极为重要的意义。我们知道，构成生命的基础——蛋白质的主要成分是氨基酸分子。它是一种有机分子，尽管人们还没有在宇宙太空中直接观测到氨基酸分子，但是，科学家在地面实验室里用氢、水、氧、甲烷及甲醛等有机物，模拟太空的自然条件，已合成几种氨基酸。而合成氨基酸所用的原材料，在星际分子云中大量存在。不难想象，宇宙空间也一定存在氨基酸的分子，只要有适当的环境，它们就有可能转变为蛋白质，进一步发展成为有机生命。据此推测，地球以外的其他星球存在生命物质，甚至可能有具备高等智慧的生命物质。
使科学家感到困惑的是，有些星际分子竟是地球环境中找不到的，甚至在实验室中也无法得到。这些地球上尚不存在的星际分子，在太空中起什么作用，有些什么物理化学特性，这还是一个谜。
2.星际尘埃云中的化合物
如果只考虑可见光谱，则看不到星际间的物质。随着无线电天文学时代的到来，一切都变了。原来不发光的冷原子和原子化合物，现在我们可以说它们能发射较少的磁微波。
通过微波发射的特性可以识别原子的结合，比如说，在宇宙中仅次于氢原子并且可以和其他原子结合的最普遍的氧原子。在很长一段时间内，一个氧原子和一个氢原子可能会互相碰撞结合在一起形成一种为羟基组化合物。这样的化合物可以发射或吸收四种波长生的微波，其中有两种波长的微波于1963年在云中被观察到。天文学家们开始承认在薄薄的星际物质中有双原子化合物，虽然多原子化合物看起来还是不可能的。在1968年年底，水分子（两个氢原子和一个氧原子组成）和氨分子（三个氢原子和一个氮原子组成）被探测到了。这以后，有更多更复杂的化合物被发现，它们含有一个或多个碳原子，并由此创立了天体化学。天文学家还不能确定在近乎真空的宇宙中形成的分子有多复杂，有些分子可能会由13种原子组成，但是目前只有这样的可能，即如果能把探测仪送到星际云中（但不能送到离我们有太多光年远的星际云中），还可以探测到更复杂的化合物。
3.暗物质的成分
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙中质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10-30克。这个密度仅相当于1立方米容积内不到4个氢原子。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。