천문학자들은 지구가 우주의 중심이 아니라는 사실을 오래전부터 알고 있었다. 하지만 실용적인 목적으로 보면, 천체 간의 상대 거리를 무시하고 지구를 감싸고 있는 구면 껍질의 표면에 천체들이 박혀 있다고 생각하는 편이 편리하다.
이 천구는 하늘에서 천체의 위치를 측정할 수 있게 해주는 좌표계의 기본 바탕이다. 천구의 남북극은 지구의 남북극이 천구에 고스란히 투영된 점이다. 천구의 적도는 지구의 적도와 나란히 겹치는 선으로 하늘을 북반구와 남반구로 나눈다. 지구가 자전하고 있으므로 천구도 천구의 남북극을 회전축으로 23시간 56분마다 한 바퀴씩 돈다고 볼 수 있다. 지구의 자전축이 공전궤도면과 23.5도만큼 기울어져 있기 때문에 황도 역시 천구의 적도를 기준으로 23.5도만큼 기울어진다.
천체좌표계는 천체의 위치를 가상의 하늘인 천구에 표시할 때 쓰이는 체계이다. 가장 널리 사용되는 좌표계로는 지평좌표계와 적도좌표계가 있다.
간단히 말하자면 지평좌표계는 천체의 고도와 방위각을 측정하는 체계이다. 아쉽게도 이 좌표는 그다지 유용하지 않다. 하늘이 매일 자전하므로 천체 대부분의 고도와 방위각이 시시각각 변화할 뿐만 아니라 장소에 따라서도 달라지기 때문이다. 적도좌표계는 지평좌표계보다는 좀 더 유용하고 간편하지만, 조금씩 변하는 적경과 적위를 측정해야 한다는 점에서 다소 복잡한 편이다.
지구 밖 우주에 대해 우리가 알고 있는 대부분의 정보는 우주에서 오는 복사선인 전자기파를 연구한 것이다. 전자기파는 온도와 무관하게 우주 전역의 모든 보통 물질에서 방출된다. 이 전자기파는 전기장과 자기장이 서로 수직인 상태로 상호작용하는 것으로, 전기장이 변화하면 자기장이 생성되고, 자기장이 변화하면 전기장이 생성된다. 이 과정을 통해 전자기파는 광자라고 불리는 '패킷'을 스스로 전파해 빛의 속도로 우주를 여행한다.
천체의 온도는 천체가 방출하는 복사선의 에너지 수준을 결정한다. 에너지가 클 때는 진동수가 크고 파장이 짧다. 별처럼 온도가 높은 천체만이 가시광선을 방출할 만한 에너지를 가지고 있다. 일반적으로는 차가운 천체는 눈에 보이지 않는 자기만의 복사를 방출하며, 대개 태양 광선을 반사해야만 보인다.
망원경은 멀리 떨어진 천체에서 나오는 복사선을 포착한 후 탐지기에 모아주는 장치이다. 탐지기로 직접 관찰하는 것보다 더 세밀한 화질과 더 선명한 상을 얻을 수 있다.
광학 망원경은 기본적으로 굴절망원경과 반사망원경이 있다. 굴절망원경은 빛이 투명한 '대물렌즈'를 통과할 때 빛을 굴절시켜 초점을 맞춘다. 반면 반사망원경은 오목한 '주경'을 통해 광선을 반사해 한 곳으로 모은다. 두 망원경은 멀리 떨어져 있는 천체에서 오는 광선이 서로 평행하다는 점을 바탕으로 설계되었다. 또한 두 망원경은 직접 관찰할 수 있도록 부경을 비롯한 다른 렌즈로 확대된 상을 접안 렌즈로 띄운다.