Sự tồn tại của thiên hà của Trái Đất, Ngân hà, như một nhóm sao riêng biệt, chỉ được chứng minh trong thế kỷ XX, cùng với sự tồn tại của những thiên hà "bên ngoài", ngay sau đó, sự mở rộng của vũ trụ, được quan sát thấy trong sự rời xa của hầu hết các thiên hà khỏi chúng ta. Thiên văn học hiện đại cũng đã khám phá nhiều vật thể kỳ lạ như các quasar, pulsar, blazar, và thiên hà radio, và đã sử dụng các quan sát đó để phát triển các lý thuyết vật lý miêu tả một số vật thể đó trong các thuật ngữ của các vật thể cũng kỳ lạ như vậy như các hố đen và sao neutron. Vật lý vũ trụ đã có những phát triển vượt bậc trong thế kỷ XX, với mô hình Big Bang được các bằng chứng thiên văn học và vật lý ủng hộ rộng rãi, như màn bức xạ vi sóng vũ trụ, định luật Hubble, và sự phong phú các nguyên tố vũ trụ.