Изучает физическую природу космических тел: плотность, температуру, массу, химический состав, возраст небесных тел, их образование, развитие и взаимодействие друг с другом. Исследуя природу космических тел и явлений и объясняя ее, астрофизика основывается на законах физики. Материал для астрофизических исследований дают астрофизические наблюдения.
Почти все, что нам известно о далеких небесных телах, получено путем изучения слабых потоков электромагнитных волн, приходящих от них на Землю (см. Электромагнитное излучение небесных тел). И свет, и радиоволны, и рентгеновское излучение — все это электромагнитные волны с различной длиной волны. Для астрофизиков важно извлечь из приходящего электромагнитного излучения как можно больше информации. Для этого исследуют спектр источника, т. е. производят спектральный анализ электромагнитного излучения небесных тел. Появившийся во второй половине XIX в. спектральный анализ быстро «вошел» в астрономию, и только с этого времени можно говорить о рождении астрофизики. С помощью спектрального анализа стало возможным измерить температуру, определить химический состав небесных тел, удаленных от нас на гигантские расстояния. Дальнейшее развитие спектрального анализа связано с успехами теоретической и экспериментальной физики, которые позволили найти законы излучения и поглощения света атомами. Спектральный анализ оказался пригодным для определения всех важнейших физических характеристик космических объектов. Возьмем, например, светящиеся облака горячего межзвездного газа (см. Межзвездная среда). По их спектру можно узнать температуру и плотность газа, его химический состав, скорости движения отдельных частей облаков и даже количество межзвездной пыли, которая поглощает проходящий через нее свет. Наши знания о звездах также во многом основываются на спектральном анализе. Спектры звезд позволяют определить температуру, плотность и химический состав их атмосфер, узнать расстояние до звезд и их светимость, измерить скорость движения звезд по лучу зрения и скорость их вращения вокруг оси, оценить напряженность магнитного поля звезд (если оно достаточно сильное), выявить присутствие оболочек горячего газа вокруг звезд. Без результатов спектрального анализа было бы невозможно рассчитать внутреннее строение Солнца и звезд, узнать массу, возраст и звездный состав звездных систем.
Глубокие астрофизические исследования были бы немыслимы, если бы наблюдатели не научились точно измерять энергию излучения астрономических объектов. Сначала такие измерения проводились на глаз, при визуальных наблюдениях с телескопом. Затем были разработаны специальные методы измерений с помощью астрономической фотографии. Но созданы и широко применяются уже другие приемники излучении (фотоэлектрические), которые по чувствительности к свету и точности измерений световых потоков значительно превосходят лучшие сорта фотоэмульсий.
Возможности астрофизики значительно расширились за последние 2—3 десятилетия благодаря бурному развитию «астрономии невидимого» — наблюдений электромагнитного излучения с такими длинами волн, на которых оно не воспринимается глазом.
Первыми из «невидимых» волн были освоены радиоволны (см. Радиоастрономия). Для приема космических радиоволн созданы многочисленные системы радиотелескопов. Радионаблюдения позволили с огромной точностью измерить расстояние до планет и Солнца, «заглянуть» под непрозрачный слой облаков Венеры, «увидеть» с очень больших расстояний облака горячего межзвездного газа, недоступные для оптических телескопов. Радиоастрономия открыла возможность наблюдения и очень холодного межзвездного газа, излучающего спектральные линии в радиодиапазоне. Радиогалактики, квазары, пульсары - все эти объекты были открыты по их радиоизлучению.
Наблюдая небо в инфракрасных лучах, астрофизики измерили собственное излучение планет, увидели очень молодые звезды сквозь пылевую завесу, не пропускающую света, открыли ядра галактик с мощным инфракрасным излучением.
Для наблюдения неба в рентгеновских лучах и гамма-лучах пришлось поднять приемники излучения за пределы плотных слоев атмосферы — для этих лучей слой воздуха над Землей совершенно непрозрачен. Поэтому рентгеновская астрономия и гамма-астрономия начали развиваться лишь с наступлением космической эры, т.е. совсем недавно. Но уже сейчас можно говорить о важнейших открытиях, к которым привели эти наблюдения: были открыты, например, рентгеновские источники, «рассыпанные» по всему небу; обнаружено излучение горячего и очень разреженного газа в пространстве между галактиками.
Опираясь на богатый материал астрофизических наблюдений и используя известные законы физики, ученые стремятся глубже разобраться в тех сложных физических процессах, которые происходят в различных областях Вселенной. А процессы эти разыгрываются подчас в очень необычных с нашей, земной точки зрения условиях. В космическом пространстве можно обнаружить как вещество с гигантскими температурами, так и крайне холодный газ. Только в космическом пространстве можно наблюдать излучение газа с ничтожной плотностью, при которой в объеме земного шара содержится менее килограмма вещества. Только в мире звезд можно встретить тела с фантастической плотностью, какую имеют лишь атомные ядра. Очень сильные магнитные поля пульсаров и магнитных звезд и предельно слабые поля межзвездного пространства, излучение быстрых части и, летящих практически со скоростью света, самоуправляемые термоядерные реакции в звездах, источники гигантской энергии в галактиках — все это можно наблюдать, измерять, изучать астрофизическими методами. Астрофизика не только использует новые открытия современной физики, но и сама способствует ее развитию. Для астрофизиков космос является продолжением физической лаборатории, где углубленно изучаются важнейшие физические законы, создаются и проверяются новые физические представления и теории»,— писал известный советский астрофизик С.Б. Пикельнер.
Вместе с физикой и другими естественными науками астрофизика формирует представление человека о том безграничном мире, который его окружает.
