История астрофизики начинается с момента, когда наблюдение небесных тел перестаёт быть лишь геометрическим описанием их движения и начинает включать изучение их природы, структуры и эволюции. До середины XIX века астрономия в основном представляла собой классическую небесную механику — раздел физики, занимающийся вычислением орбит, описанием движения планет, комет, спутников. Однако с развитием физики, в особенности спектроскопии, термодинамики и электромагнетизма, стало возможным применять физические методы к изучению объектов за пределами Земли.
Переход от описательной астрономии к физически ориентированной астрофизике стал возможен благодаря революции в методах наблюдений, особенно открытию спектрального анализа. Этот инструмент позволил определить химический состав, температуру и движение небесных тел, что коренным образом изменило подход к изучению Вселенной.
Решающую роль в становлении астрофизики сыграло открытие спектрального анализа. В 1859 году Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен показали, что каждый химический элемент обладает уникальным спектром. Это позволило применять спектроскопию к изучению состава Солнца и звёзд. Уже в 1868 году Пьер Жансен и Джозеф Локьер независимо друг от друга обнаружили в солнечном спектре линию, которая не соответствовала известным элементам на Земле. Так был предсказан новый элемент — гелий, позднее найденный на Земле.
В это же время развивалась теория теплового излучения. Законы Планка и Вина позволили определять температуру звёзд по форме их спектров. Появилась возможность строить первые модели звезд как физических объектов, а не просто светящихся точек на небосводе. Были установлены различия между звёздами разных типов, что подготовило почву для будущей классификации.
В 1910-х годах Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел независимо друг от друга построили диаграмму, на которой звёзды были размещены по температуре (спектральному классу) и светимости. Эта диаграмма (ГР-диаграмма) стала краеугольным камнем звёздной астрофизики. Она позволила понять эволюционные связи между разными классами звёзд и привела к формированию теории звёздной эволюции.
Ключевым вопросом начала XX века был источник энергии звёзд. Классическая термодинамика не могла объяснить, как звёзды излучают энергию в течение миллиардов лет. С открытием ядерной физики и квантовой механики было установлено, что источником энергии являются термоядерные реакции, протекающие в недрах звёзд. В 1930-х годах Ганс Бете разработал модели водородного горения, а чуть позже — углеродно-азотный цикл. Это стало основой современной теории внутренней структуры звёзд.
После Второй мировой войны наблюдательная астрофизика сделала качественный скачок благодаря появлению новых диапазонов наблюдений. Радиоастрономия открыла Вселенную на частотах, недоступных человеческому глазу. Были обнаружены радиогалактики, пульсары, остатки сверхновых. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение — реликтовый след Большого взрыва. Это открытие стало краеугольным камнем космологии и подтвердило теорию расширяющейся Вселенной.
Запуск спутников позволил наблюдать Вселенную в рентгеновском и гамма-диапазоне. Эти наблюдения выявили ранее неизвестные классы объектов: рентгеновские двойные системы, чёрные дыры, гамма-всплески. Стало ясно, что Вселенная гораздо более динамична и насыщена экстремальными явлениями, чем казалось ранее.
С ростом вычислительных мощностей началось активное развитие численного моделирования в астрофизике. Появилась возможность моделировать коллапс звёзд, взрывы сверхновых, слияния нейтронных звёзд, формирование галактик и крупномасштабных структур. Астрофизика всё в большей степени стала опираться на компьютерные симуляции как на третий столп наряду с теорией и наблюдением.
Современная астрофизика немыслима без учёта темной материи и тёмной энергии — двух компонент, которые составляют около 95% содержания Вселенной. Их существование подтверждено рядом независимых наблюдений: кривыми вращения галактик, гравитационным линзированием, анизотропией реликтового излучения и ускорением расширения Вселенной. Поиск природы этих форм материи и энергии — одна из центральных задач астрофизики XXI века.
В 2015 году детекторы LIGO впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния чёрных дыр, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна ещё в 1916 году. Это ознаменовало рождение новой области — гравитационно-волновой астрономии. В дальнейшем удалось зарегистрировать волны от слияния нейтронных звёзд, что стало источником одновременно гравитационных и электромагнитных сигналов, впервые позволившим мульти-мессенджерное наблюдение космического события.
С 1990-х годов интенсивно развиваются методы обнаружения экзопланет. Благодаря миссиям Kepler, TESS и другим открыты тысячи планет у других звёзд. Астрофизика выходит за рамки только звёздных и галактических масштабов и обращает внимание на формирование, эволюцию и физику планетных систем, включая атмосферный состав, климатику и потенциальную обитаемость.
Астрофизика тесно связана с ядерной физикой, квантовой теорией поля, гравитацией и физикой элементарных частиц. Объекты с экстремальными условиями (чёрные дыры, нейтронные звёзды, ранняя Вселенная) становятся естественными лабораториями для проверки физических теорий в недостижимых на Земле режимах. Концепции, такие как инфляция, симметрии в ранней Вселенной, топологические дефекты, аксионы, тесно связаны с космологией.
С развитием астрофизики возникла новая дисциплина — астробиология, изучающая условия возникновения жизни во Вселенной. Это междисциплинарная область, включающая астрофизику, химию, биологию, геологию. Изучение атмосфер экзопланет, химии протопланетных дисков и спектров органических молекул в межзвёздной среде стало частью этого нового направления.
Астрофизика сегодня — это не только наука о звёздах и галактиках, но и фундаментальная платформа для проверки и расширения границ всей физики. Она объединяет наблюдение, теорию и моделирование. Современные проекты — от космического телескопа James Webb до миссий по исследованию гравитационных волн и тёмной материи — свидетельствуют о беспрецедентной глубине и широте охвата этой науки. Эволюция астрофизики — это непрерывный процесс, отражающий стремление человечества к пониманию устройства Вселенной.