Astronomi teoretis

Terdapat banyak jenis-jenis metode dan peralatan yang bisa dimanfaatkan oleh seorang astronom teoretis, antara lain model-model analitik (misalnya politrop untuk memperkirakan perilaku sebuah bintang) dan simulasi-simulasi numerik komputasional; masing-masing dengan keunggulannya sendiri. Model-model analitik umumnya lebih baik apabila peneliti hendak mengetahui pokok-pokok persoalan dan mengamati apa yang terjadi secara garis besar; model-model numerik bisa mengungkap keberadaan fenomena-fenomena serta efek-efek yang tidak mudah terlihat.
Para teoris berupaya untuk membuat model-model teoretis dan menyimpulkan akibat-akibat yang dapat diamati dari model-model tersebut. Ini akan membantu para pengamat untuk mengetahui data apa yang harus dicari untuk membantah suatu model, atau memutuskan mana yang benar dari model-model alternatif yang bertentangan. Para teoris juga akan mencoba menyusun model baru atau memperbaiki model yang sudah ada apabila ada data-data baru yang masuk. Apabila terjadi pertentangan/inkonsistensi, kecenderungannya adalah untuk membuat modifikasi minimal pada model yang bersangkutan untuk mengakomodir data yang sudah didapat. Kalau pertentangannya terlalu banyak, modelnya bisa dibuang dan tidak digunakan lagi.
Topik-topik yang dipelajari oleh astronom-astronom teoretis antara lain: dinamika dan evolusi bintang-bintang; formasi galaksi; struktur skala besar materi di alam semesta; asal-usul sinar kosmik; relativitas umum; dan kosmologi fisik (termasuk kosmologi dawai dan fisika astropartikel). Relativitas astrofisika dipakai untuk mengukur ciri-ciri struktur skala besar, di mana ada peran yang besar dari gaya gravitasi; juga sebagai dasar dari fisika lubang hitam dan penelitian gelombang gravitasional.
Beberapa model/teori yang sudah diterima dan dipelajari luas yaitu teori Dentuman Besar, inflasi kosmik, materi gelap, dan teori-teori fisika fundamental. Kelompok model dan teori ini sudah diintegrasikan dalam model Lambda-CDM.