宇宙的年齡是指自大爆炸開始至今所流逝的時間，當今理論和觀測認為這個年齡在一百三十六億年到一百三十八億年之間。科學家們將宇宙的類型大致粗分為三種，開放型的宇宙、臨界型的宇宙、封閉型的宇宙。 開放型的宇宙，會不斷的擴張，其宇宙擴張速率遠大於臨界速率，而導致不會有星體的生成；封閉型的宇宙，因為宇宙的擴張速率小於臨界速率，故擴張到一定程度之後就會開始收縮，也不會導致星體的生成；臨界型的宇宙，擴張速率和界速率差不多，但宇宙會保持慢慢的繼續擴張下去，並會在過程中讓星體產生。只有持續擴張了至少幾十億年，卻仍與臨界宇宙非常接近的宇宙，才有可能從中產生足夠的基件，進而組成現在的我們的複雜結構。

在最近，天文物理學在目前所謂的物理宇宙學，藉由科學觀察與實驗來了解宇宙的發展，扮演了核心的角色。這個學科專注在宇宙最為巨觀且最早期的面向，一般被理解為由大爆炸起頭，大爆炸指的是空間的膨脹，而到目前為止，宇宙被認為約於137億年前由此膨脹產生。從宇宙劇烈的發生直至它的結束，科學家認為宇宙的整個歷史是一個有秩序的、且在物理定律的支配之下的進程。

在過往，希臘哲學家認為天是一個天球，當中的機械原理，就成為了目前天體力學的內容。在當時，阿里斯塔克斯、亞里士多德及托勒密曾提出過幾個不同的天體學理論，當中以托勒密用來解說天體運作的地心說被廣為接受，直到16世紀時為哥白尼所推翻，並得到開普勒及伽里略等人提出的新日心說理論所取代。這成為了宇宙物理學的一個最著名的認識論斷裂 epistemological rupture的例子。

隨著牛頓及其於1687年出版的《自然哲學的數學原理》的出現，長久以來有關天體的運動問題終於被解決了。牛頓為開普勒定律的機制提供了物理上的解釋，而他的萬有引力定律使過往難以解釋的各種奇特天文現象，例如行星逆行的現象，都可以透過行星間的引力相互作用而解釋。牛頓的天體學理論與先前的理論在根本上最大的分別，在於哥白尼原則只提出地球在宇宙裡沒有特殊地位，而牛頓卻更進一步的指出：不論是天體和地球，兩者皆遵守著相同的物理法則。這一點在宇宙物理學的進展來說是很重要的。

在可以看見的可觀測宇宙中，星系的總數可能超過一千億個以上。大部分的星系直徑介於1,000至100,000 秒差距，彼此間相距的距離則是百萬秒差距的數量級。星系際空間（存在於星系之間的空間）充滿了極稀薄的電漿，平均密度小於每立方公尺一個原子。

星系是由無數的恆星系、塵埃、星雲組成的運行系統。星系大小差異很大。橢圓星系直徑在3300光年到49萬光年之間；螺旋星系直徑在1.6萬光年到16萬光年之間；不規則星系直徑大約在6500光年到2.9萬光年之間。星系的質量一般在太陽質量的100萬到1兆倍之間。典型的星系，從只有數千萬顆恆星的矮星系到上兆顆恆星的橢圓星系都有，全都環繞著質量中心運轉。除了單獨的恆星和稀薄的星際物質之外，大部分的星系都有數量龐大的多星系統、星團以及各種不同的星雲。

星系在宇宙中呈網狀分布。從大尺度看，星系包圍著一個個像氣泡一樣的空白區域，在整體上形成類似蜘蛛網或神經網路的結構，稱之為宇宙大尺度分布。星系依據它們的形狀分類成三類：橢圓星系、螺旋星系和不規則星系。

最普通的是橢圓星系－有著橢圓形狀的明亮外觀；橢圓星系的傳統形象是最初的爆發之後，恆星形成過程已經結束的星系，只留下衰老中的恆星仍在閃爍著光輝，但偶爾仍會有少量的恆星形成。通常，橢圓星系看起來是黃色或紅色，與在旋臂上有高熱的年輕恆星，發出淡藍色調的螺旋星系對比有很大的差異。橢圓星系的質量和尺度有很大的範圍：小到只有一萬秒差距到大過十萬秒差距，質量從10⁷到接近10¹³太陽質量。最小的矮橢球星系可能不會比典型的球狀星團大，但因為擁有相當數量的暗物質，所以不能歸類為星團。大部份這些小的橢圓星系都與其它的橢圓星系沒有關聯性。已知最大的單一星系M87（NGC4486）是橢圓星系。橢圓星系的尺度比任何其他種類的星系都更為寬廣。

螺旋星系－是圓盤的形狀，加上彎曲塵埃的旋渦臂；螺旋星系由核球向外成對數螺旋在星系盤內延展，並有恆星形成的明亮螺旋臂。雖然有時很難辨明，例如螺旋臂有叢生的絮結時，但螺旋臂相對的可以區分出有星系盤結構卻沒有螺旋臂的透鏡星系。螺旋星系的星系盤外通常會有龐大的球形星系暈包圍著，其中主要的成員是年老的第二星族恆星，也有許多被聚集在環繞著星系核的球狀星團內。螺旋星系中大多數的恆星，不是緊挨著星系盤唯一的平面，就是圍繞著星系的核心(核球)在常規的軌道上運行，再不就是聚在扁球體的星系扁球體繞著星系核心轉。這些形成的扁球暈或星系扁球體，都朝向星系的中心集中。對這些星群的軌道仍有爭議，他們的方向有順時針也有逆時針，或許併合著高傾斜角的軌道，或再不規則的軌道上運行，不一而足。暈中的恆星或許是來自外面的，或是因為星系吞噬而來自其他的星系。例如，人馬座矮橢球星系是銀河系正在進行星系吞噬的對象，觀測顯示銀暈中的一些恆星就來自這個星系的扁球體。星系暈中的星際塵埃似乎是自由的，進一步的比對，暈中的恆星都是第二星族的，非常老，金屬含量也遠比在星系盤中的親戚第一星族的低(比較像核球的)。星系暈中也有許多的球狀星團。

形狀不規則星系－或異常的，通常都是受到鄰近的其他星系影響的結果。鄰近星系間的交互作用，也許會導致星系的合併，或是造成恆星大量的產生，成為所謂的星爆星系。缺乏有條理結構的小星系則會被稱為不規則星系。雖然也是星系，但既沒有旋渦的結構，也沒有橢圓的形態。她們的外觀通常是混亂的，沒有球狀突起的核心，也沒有任何類似旋渦結構的蹤影。她們被認為佔星系總數的四分之一。多數的不規則星系可能曾經是旋渦星系或橢圓星系，但是因為重力的作用受到破壞而變形。這種類型的星系，現在被認為在了解星系的整體演化中是非常重要的環節，這些星系的金屬含量較低，但氣體的成分相對的偏高，並且被認為比較接近宇宙早期形成的星系。有一些不規則星系原本是小的螺旋星系，因為鄰近星系的重力作用使旋渦的結構被破壞了。

多數的星系會組織成更大的集團，成為星系群或團，它們又為聚集成更大的超星系團。這些更大的集團通常被稱為薄片或纖維，圍繞在宇宙中巨大的空洞週圍。在天文學裡，空洞指的是纖維狀結構之間的空間，空洞與纖維狀結構一起是宇宙組成中最大尺度的結構。空洞中只包含很少或完全不包含任何星系。一個典型的空洞直徑大約為11至150個百萬秒差距；特別的，對於空間等同超星系團的大型空洞，時常被稱為超級空洞或超空洞。

星系內部的恆星在運動，而星系本身也在自轉，整個星系也在空間運動。星系具有紅移現象，說明這些星系在空間視線方向上正在離我們越來越遠。這也是大爆炸理論的一個有力證據。觀測的資料顯示超重黑洞存在於星系的核心，即使不是全部，也佔了絕大多數，它們被認為是造成一些星系有著活躍的核心的主因。

非常少數的星系是單獨存在的，這些通常都被認為是視場星系。視場星系（Field galaxy）是不屬於任何大的星系團，絕大多數都存在於星系團之外，但是有引力場的星系。多數的低表面亮度星系都是視場星系。許多星系和一定數量的星系之間有重力的束縛。包含有50個左右星系的集團叫做星系群，更大的包含數千個星系，橫跨數百萬秒差距空間的叫做星系集團。星系集團通常由一個巨大的橢圓星系統治著，他的潮汐力會摧毀鄰近的衛星星系，並將質量加入星系中。超星系集團是巨大的集合體，擁有數萬個星系，其中有星系群、星系集團和一些孤單的星系；在超星系集團尺度，星系匯排列成薄片狀和細絲，環繞著巨大的空洞。在上述的尺度中，宇宙呈現出各向同性和均質。

耀變體是一種密度極高的高變能量源，被假定為是處於寄主星系中央的超大質量黑洞。耀變體是目前已觀測到的宇宙中最劇烈的天體活動現象之一，並已成為星系天文學的一個重要話題。耀變體是眾多活躍星系中的一種，也被稱為活躍星系核（AGN）。不過，被稱為耀變體的星體並非都完全相同，其仍可分為兩種：第一種是高變類星體，也被稱為光學劇變類星體（為類星體中的一類）；第二種為蠍虎座BL型天體。另外還有少量耀變體可能屬於「過渡耀變體」類型，即兼具光學劇變類星體和蠍虎座BL型天體的某些特徵。

耀變體blazar－這個詞由天文學家埃德·施皮格爾於1978年創造，用以指稱上述兩類天體的集合。耀變體是一種相對論性噴流（在大概方向上）指向地球的活躍星系核。因此，對其進行觀測的我們通常處於噴流的「下游」。這也說明了這兩種耀變體的高變性和高密度的特徵。許多耀變體甚至在噴流的數個秒差距內出現超光速運動現象，這可能是由相對論性衝擊波造成的。此外，如引力透鏡效應等替代模型則可解釋少量與耀變體一般特徵不符的觀測結果。

耀變體和其他活躍星系核一樣，都以物質落入位於寄主星系中央的超大質量黑洞同時產生能量作為其能量的最終產生機制。在引力的作用下，黑洞周圍的氣體、塵埃，有時還包括星體朝黑洞下落，由於具有角動量，物質形成了一個圍繞黑洞的炙熱的吸積盤，並進入黑洞。在此過程中，產生了大量的以光子、電子、正電子和其它基本粒子形態存在的能量。此外，在黑洞周圍數個秒差距的範圍內還會形成一個龐大的不透光圓環，在這個該密度的區域內包含著炙熱的氣體。這些「雲」從更靠近黑洞的區域中吸收能量，並再次輻射出去。在地球上則可以通過耀變體電磁波譜範圍內的譜線探知這些「雲」。

與吸積盤面相垂直的則是一對從活躍星系核中噴射而出的、攜帶高能量的相對論性噴流。這對噴流受到了來自吸積盤和吸積環的強大磁場和強烈輻射風的共同作用，得以保持很好的方向性。在噴流內，高能光子和其它粒子之間相互作用，同時還與強磁場發生作用。這些相對論性噴流能夠到達黑洞之外數千秒差距的地方。

耀變體的這些區域都能產生多種可被觀測到的能量，其中大部分以非熱輻射譜的形式存在，這些輻射譜包括了從極低頻率的無線電到攜帶極高能量的伽馬射線，在某些頻率上的輻射甚至被高度極化了。這些非熱輻射譜包括了從無線電到X射線的同步輻射，以及從X射線到伽馬射線的康普頓散射。熱輻射譜可在紅外線區域達到峰值（其中還包括了微弱的可見光輻射），這種熱輻射譜可在光學劇變類星體中觀測到，但是很少甚至沒有在蠍虎座BL型天體中發現。

許多明亮的耀變體最初都被鑒定歸類為銀河系中的不規則變星，而非耀眼的遙遠星系。這些耀變體和真正的不規則變星類似，都會在以年計或以天計的時間裡發生亮度的變化，但是這種變化並沒有固定的模式。在無線電天文學發展之伊始，即在天空中發現了眾多的明亮的無線電源。到20世紀50年代末無線電望遠鏡得到改善、其能夠有效地將個別無線電源與其他可見光源區別開來之後，科學家發現了類星體。耀變體即這些早期發現的類星體中的典型代表，而首個被發現的紅移星體——3C 273即是一個屬於耀變體的高變類星體。

1968年再次發現了「變星」蠍虎BL與一個強烈無線電源VRO 42.22.01之間的類似聯繫。蠍虎BL表現出許多類星體的特徵，但是其光譜中卻缺少用於確定紅移的譜線。1974年，又發現了蠍虎BL可能是河外星系的微弱跡象，這可以證明蠍虎BL不是一顆恆星。蠍虎BL是河外星系的真相併不出人意料。1972年，綜合可變光和無線電源等現象，科學家提議設立一個新的星系類型——蠍虎座BL型天體（BL Lacertae-type objects）。後來這個名稱被縮短為"BL Lac object"或"BL Lac"。至2003年，已有數百個蠍虎座BL型天體被發現。

耀變體被認為是其噴流噴射方向接近觀察者視線的活躍星系核。這種特別的噴流噴射方向解釋了耀變體的一般特徵：如被觀測到的高亮度、高變性、高極化性（與非耀變體類星體比較）和在大多數耀變體附近數個秒差距範圍內都可觀測到的超光速運動現象。

超光速運動是一種外顯的超過光速的運動，出現在一些電波星系、類星體中，最近也發現出現在一些稱作微類星體的星系類輻射源。這些來源被認為中心含有黑洞，因此造成了質量體以高速射出。超光速運動首次發現於1970年代早期，一開始被視為不利於「類星體具有宇宙論尺度距離」說法的一項證據。雖然一些天文物理學家仍為這論點辯解，多數人相信這個大於光速的外顯速度是一種光學錯覺(optical illusion)，並不包含任何與狹義相對論相違背的物理學。對此現象的解釋相當簡單直接，即-光行時間效應-light travel time effect。

2011年5月英國和加拿大的天文學家研究報告指出，部分黑洞可承受的壓力和收縮力要遠高於此前的估值，也遠高於宇宙的收縮力。這就意味著，即便宇宙消失，部分黑洞仍能正常保存下來。我們的宇宙形成於140億年前的大爆炸之後，如果部分黑洞承受的壓力和收縮力大於宇宙，那麼這些黑洞有可能在宇宙出現或大爆炸發生之前就已存在。

有關黑洞形成的理論較多，而且觀點各有不同。有的認為，黑洞是在大的雲團爆炸後形成的；有的認為由恒星演化而來的。目前天文學家都比較認可前蘇聯數學家弗里德曼提出的現代宇宙學上的第一個動態宇宙模型。弗里德曼認為，宇宙可能是膨脹的，也可能是收縮的，或者是脈動的。30年代，英國天文學家愛丁頓將哈勃發現的星系紅移與宇宙膨脹理論結合了起來，認為哈勃的發現證實了宇宙膨脹理論。天文學家們表示，與別的天體相比，黑洞十分特殊。

人們無法直接觀察到它，物理學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的空間。空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但相對而言它已彎曲。物質在受到強烈黑洞引力下落時，會在其周圍形成吸積盤盤旋下降，在這一過程中勢能迅速釋放，將物質加熱到極高的溫度，從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質，這可能就是它的成長方式。

目前包括銀河系在內的宇宙中大部分星系都有超大品質黑洞存在，其品質範圍從100萬—100億個太陽那麼大。黑洞處於“活躍”期時，大量氣態物質落入其中併發出輻射。為了發現黑洞，天文學家們尋找了大量發自這些氣態物質的輻射，並認為使氣態物質“落入”大品質黑洞是黑洞的生長方式。此前的研究還證實，最大品質黑洞的第一次迅速生長發生在宇宙誕生約12億年的時候，而不是以前認為的20億年—40億年，且生長速率很快。黑洞引力極強，就連光也不能逃脫。