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从远古时代起，人类就试图通过观察除我们生活的世界之外的天体——太阳、月亮、恒星与行星——来理解宇宙。古巴比伦人与古埃及人意识到天文现象会重复出现，它们有着一定的运行周期。他们记录星辰的位置，预测日月食，以及彗星、月球、最亮的星体的运动轨迹。他们的记录成为天文导航发展和计时的基础。
古希腊人归纳、总结了先人数个世纪的观察记录，用神话中人物的名字为星群或星座命名，例如猎户座得名于猎人俄里翁（Orion），双子座（Gemini）则得名于孪生子卡斯托尔（Castor）与波吕克斯（Pollux）。今天，在夜间进行天文导航时为辨别方位所参考的88个星座中，托勒密（Ptolemy）于公元1世纪就列出了其中48个。古罗马人为一部分行星取了名字：水星（Mercury）、金星（Venus）、火星（Mars）、木星（Jupiter）以及土星（Saturn）。这些行星反射了太阳光，因此成为天空中“明亮的星星”。
17世纪，光学望远镜的发明永久改变了人们“以地球为中心”的宇宙观。不久，人们就清晰地意识到，宇宙比自己想象的要大得多。随着对太空的研究越发深入，天文学家发现，太阳系中不仅存在着两颗之前未被人们发现的行星（天王星与海王星），还存在着许多小行星、卫星、矮行星（如冥王星）、气体云、太空尘埃，甚至未知的星系。
如今的天文仪器有用于探测宇宙中遥远的天体辐射的星载望远镜和能带回有关其他行星数据的空间探测器。借助这些工具，天文学家对宇宙的了解将更为深入：宇宙是由何种物质、依靠何种力量构成的？恒星、行星与星系是如何演化的？宇宙的开端是怎样的？天文学家还发现，宇宙的一部分是由任何望远镜都侦测不到的物质构成的。事实证明，这种“暗物质”（dark matter）将成为天文学的一大谜团。