◆现代宇宙学的诞生
宇宙学是从整体上研究宇宙的结构和演化、运动和发展的科学，是天文学的一个崭新分支。20世纪以来，在大量天文观测资料和现代物理学的基础上，产生了现代宇宙学，开创者是伟大的物理学家爱因斯坦。1916年，爱因斯坦建立了广义相对论。1917年，他率先把广义相对论应用于宇宙研究，提出了他的宇宙模型。爱因斯坦的假说给予人们很大的启发，但宇宙静止的观点并不令人信服。
与爱因斯坦的宇宙静止观相反，英国天文学家爱丁顿1920年提出宇宙在膨胀中的看法。1924年，苏联数学家弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态。1927年，比利时天文学家勒梅特建立了宇宙膨胀模型，他认为大尺度空间随时间的推移而膨胀。
1929年，哈勃著名的红移定律表明所有河外星系都有光谱线红移(向低频方向移动)现象，即它们都以不同的方向远离我们而去，并且离我们越远的星系离去速度越大，这似乎说明整个宇宙在膨胀之中。哈勃的这一发现，为弗里德曼和勒梅特宇宙模型提出了直接的观测依据，动摇了宇宙静止的传统观念，是20世纪天文学最重要的成就之一。
◆射电天文学的诞生
1932年，美国电信工程师央斯基发现了来自太空的无线电波，开创了用辐射电波研究天体的新纪元。1940年，美国人雷伯尔制成了一座直径为9.45米的抛物面天线，用以接收太空来的无线电波，这是世界上第一台射电天文望远镜。从此，光波波段以外的射电窗口被打开了，一个崭新的分支——射电天文学随之诞生。射电天文学至今已发现太空中有3万多个射电源，并看到了100亿光年的星系。
◆宇宙微波背景辐射的发现
天文学最有意义的发现是宇宙做波背景辐射。
1948年，著名物理学家盖莫夫等提出大爆炸宇宙模型时，曾预言在宇宙形成的最初阶段留下了黑色微波背景辐射。
1964年，美国贝尔电话实验室在新泽西州的克劳福德山上设立了一架供人造卫星用的天线，射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊负责调试这架天线，以测定银河系平面以外区域的射电波强度。当他们想尽办法避免地面噪声干扰，而且提高了天线的灵敏度后，发现总有一个原因不明的噪声消除不掉。这个噪声十分稳定，相当于3.5K的射电辐射温度。
他们开始很不理解，因而也没有立即公布自己的发现。消息传到了普林斯顿大学后，那里的天体物理学家迪克等人正在准备做实验，来验证大爆炸模型所预言的背景辐射。他们立即断定这个无法消除的噪声就是宇宙背景辐射。经过通力协作继续观测，迪克等人终于证实了彭齐亚斯和威尔逊的观测结果，与大爆炸宇宙学的预言完全符合。这就强烈地支持了大爆炸宇宙理论，使之居于宁宙形成理论的主导地位，也掀起了宇宙学理论研究的新高潮。
◆类星体的发现
1963年，美国加利福尼亚技术研究所的字航员马尔滕·施密特首先宣布自己发现了一种新的奇异的天体：它体积极小、辐射能量极大；不仅如此，这种天体还在以每秒约4万公里的速度远离地球，拥有比任何其他已知天体都要高的速度。
1960年，射电天文学家们就已经注意到了这种奇异的火体。而施密特对这种天体的观测又有了进一步的发现。这是一种让科学家们困惑不解的天体：它们在光谱上的红移量表明这种天体应该离人们极为遥远，有些天体距地球可以达到上百亿光年；但同时它们的亮度却十分大，其中仅一颗天体燃烧的亮度就是1000亿颗恒星的100倍，是宇宙中能持续发光的最亮的天体。距离这样远的天体向地球辐射出如此大的亮度，意味着它具有一种不可思议的能量，这用人们已知的任何物理规律都无法解释。
天文学家们把这种奇异的天体称为类星体。类星体的发现给天文学研究的一些基本理论和概念造成了很大困惑，而类星体如此大的能量从何而来，更是让天体物理学家们感到无从探究。但是，有一点可以肯定，这样人的能量决不是一般恒星的热核反应所能产生的。
◆脉冲星的发现
1967年，英国射电天文学家赫威斯和贝尔在用射电天文望远镜观测星空时，收到一种奇怪的无线电脉冲信号，即它不是连续的，而是间断的，而且两次信号之间的时间间隔很短，约0.03～0.04秒，但非常精确，就像人的脉搏跳动那样。经分析和研究，人们认为这种脉冲信号一定来自一颗表面上有很强磁场且旋转得很快的星体，它每转一次，脉冲信号就扫过地球一次，所以我们收到的信号是间断的。人们给这种星体取名“脉冲星”。
◆星际分子的发现
进入20世纪60年代，由于毫米波技术的发展，射电天文学家在银河系内外的星际介质中发现了100多种有机分子的谱线。1963年，射电天文学家在仙后座发现了羟基分子的光谱；1968年又在人马座方向发现了氨分子的发射谱线。更值得注意的是，1969年天文学家在人马座上还发现了一个多原子的有机分子：甲醛分子。这个发现引起了科学界的高度重视，因为甲醛分子在适当的条件下可以转化为氨基酸，而氨基酸正是生命物质的基本组成形式。
◆中子双星的发现
1974年底，美国普林斯顿大学的天文学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫匀斯，在波多黎各的阿雷西沃，利用直径305米的大型射电天文望远镜，发现了一对靠引力结合在一起，互相围绕着对方旋转的中子(脉冲)双星。这是自然界中极为罕见的现象，他们二人因这一重大发现荣获1993年诺贝尔物理学奖。
◆第三颗有光环的行星
1979年3月7日，美国加利福尼亚州巴萨迪纳喷气推进研究室的科学家们宣布：木星周围也有光环。这一发现是旅行者1号宇宙飞船完成的，它是旅行者1号飞往木星任务的第一个惊人发现。在飞船到达接近木星的最近点之前16小时的时候，飞船拍摄并传送回来的照片表明，这条光环像一条模糊的白带。据科学家估计，它只有约30千米厚，8000千米宽。它是一层不明显的岩屑。
这样，木星成了除土星和天王星之外的又一颗带有光环的星。天文学家早在1610年就已经知道土星有光环，而天王星的光环是于1977年才被发现的。这就意味着，在宇宙空间确实存在着生命发生的适宜条件，生命的种子早已漂浮在无垠的宇宙空间。有人甚至提出，也许就是彗星或流星将这些生命的种子，甚至将已有复制能力的分子植入地球。也就是说，人类的祖先也许就来自这些漂浮的星际分子。随着星际分子发现得越来越多，一门新兴学科——星际分子天文学也诞生了。
◆宇宙中的其他天体
1923年11月21日，在美国加利福尼亚威尔逊天文台，天文学家哈勃通过254厘米的望远镜，一直注视着仙女星座的星云，并做出了重大发现。
这一发现注定将改变人们对宇宙以及我们在宇宙中的位置的认识。1755年德国哲学家康德提出的“岛屿宇宙说”酷似我们银河系的天体，但这一说法从来没有得到证实。
仙女星座的星云是首次认证的除银河系之外的天体。在仙女星座的星云之中，哈勃注意到一个物体的亮度忽明忽暗。他意识到那是一颗可以用来测量距离的造父变星，而且那颗星远离银河系。这就意味着仙女座星云是完全独立的天体，同时也说明宇宙比我们任何人想象的都要大。
◆世界上最大的望远镜
1948年6月3日，世界上最大的望远镜在美国制成并交付使用。这台望远镜的镜片达508厘米，用乔治·埃利·海尔的名字命名。海尔是著名天文学家，由于他的努力，才最终取得该望远镜的研制成功。不过，他已于1938年去世。
海尔早在1927年就着手于大型望远镜的研究工作。但那时条件所但是，后来的工作颇有起色。直到他逝世以后，他的继任者们仍然一如既往，继续完善这项工作，并最终取得了成功。
这种望远镜得到了人们的普遍好评。正如宇航员所说，这种望远镜能够帮助他们研究远处的天体，而这在以前是绝不可能的。
◆太空神眼——哈勃空间望远镜
1990年4月24日，美国在佛罗里达肯尼迪航天中心用“发现”号航天飞机，把一台造价15亿美元的哈勃空间望远镜送上太空。这架望远镜重达11.6吨，长13米，宽4.2米，主体镜直径为2.4米。哈勃望远镜定位在距离地面607公里、与地球赤道倾角为28.5.的太空轨道，其观测距离为150亿光年。1993年12月和1997年2月，美国又先后对“哈勃”进行了修复及更新设备，以期大幅度提高其清晰度和灵敏度。“哈勃”的投入使用将有助于人类进一步揭开宇宙之谜。