天文学家不预报天气，也不算命。那么天文到底研究什么呢？一句话，天文学的任务是：看太阳、看月亮、看星星。
在我们太阳系内，有太阳、月亮、大小行星、彗星与卫星。在太阳系外，有很多恒星与恒星残骸（白矮星、中子星与黑洞），以及环绕其中一部分恒星的“系外行星”。太阳与周围几千亿颗恒星构成银河系；宇宙中还有其他无数星星各自会聚，构成大量类似于银河系的星系。有些星系中心的巨大黑洞快速吸食周围的气体与尘埃，形成"活动星系核"。
以上所有，都属于太阳、月亮与星星及其会聚成的团体。天文学研究的就是它们的位置、运动路线、物理性质，还有它们的出生、变化与死亡以及这些过程发出的各种各样的信息。至于宇宙中的那些分子云，算是孕育恒星的育婴室；弥漫在宇宙中的“宇宙大爆炸”的辐射余烬，则是宇宙学的研究对象。
除了黑洞之外，天体要么发出光，要么反射光。光，是天体给人类的最容易接收的信息。长期以来，人们只能观测肉眼可见的那类光——可见光。
观测可见光的方式一开始当然是用肉眼。1609年，伽利略用自己制造的天文望远镜观测星空，从此人类进入了天文望远镜时代。直到今天，接收可见光的天文望远镜依然是天文观测中的最重要的几个主力之一。我们熟知的哈勃太空望远镜观测的对象也主要为可见光。
除了可见光望远镜之外，天文学家与工程师们还设计、制造了紫外望远镜、红外望远镜、射电望远镜、X射线望远镜与伽玛射线望远镜，分别观测天体发出的紫外线、红外线、射电辐射、X射线与伽玛射线，这些辐射与可见光共同构成了“电磁波”这个统一概念，换句话说，它们都是某个波段的电磁波。
除了电磁波之外，有些天体还会发出强烈的宇宙线、中微子、引力波。比如：太阳在不断发出大量中微子；太阳上剧烈的爆发过程会发出大量宇宙线；有些超新星爆发会也会发出大量中微子与宇宙线；黑洞与黑洞并合、中子星与中子星并合以及黑洞与中子星并合都会发出强烈的引力波。宇宙线、中微子、引力波与电磁波一样，都携带着天体内部的重要信息，甚至是原始的重要信息，因此对于这些信息，天文学家自然会说：我全都要。
为了那句“我全都要”，天文学家、物理学家与工程师设计、制造出宇宙线探测器、中微子探测器与引力波探测器。其中，宇宙线探测器于1912年在5300米高山上首次探测到宇宙线；中微子探测器在1987年首次探测到银河系外发射过来的中微子，引力波探测器在2015年首次探测到两个黑洞并合发出的引力波。
天文虽然是观测学科，但也需要大量的理论分析与计算，因此虽然有的天文学家一辈子都没摸过望远镜和其他观测仪器，却依然是合格甚至杰出的天文学家，他们是理论天文学家。理论天文学家的主要工具是纸、笔、黑板/白板，个人计算机或超级计算机，别人开发的程序或自己开发的程序。对于想成为理论天文学家的人而言，过硬的数学、物理与编程的能力，是必不可少的技能，也是必修课。
