С момента своего зарождения в середине 19 в. роль астрофизики в изучении Вселенной быстро возрастала. В 20 в. она заняла в астрономии доминирующее положение. Стремительное развитие астрофизики с начала 20 в. было обусловлено, с одной стороны, общим техническим прогрессом, приведшим к радикальным изменениям в технике астрофизических наблюдений, с другой стороны — с развитием физики. Особенно важное влияние на астрофизику оказало появление квантовой механики (1920-е гг.) и ядерной физики (30 — 50-е гг. 20 в.). Постепенно возрастала и к началу 21 в. стала играть важнейшую роль в астрофизике также общая теория относительности. Исторический очерк см. в статье Астрономия.
Солнечная система. Планетные системы звезд.
Бо’льшая часть физической информации о Солнечной системе получена в ходе космических исследований. Применяемые в них методы и аппаратура сильно отличаются от традиционных астрофизических. Пассивные наблюдения дополняются активным зондированием, прямыми измерениями in situ и даже экспериментом. В итоге исследования Солнечной системы в значительной мере обособились от остальной астрофизики. Динамика Солнечной системы, ее устойчивость и динамическая эволюция — предмет небесной механики. Изучение планет, в первую очередь земной группы, а также астероидов и спутников планет стало предметом планетологии — новой дисциплины, сложившейся на стыке астрономии, геологии и геофизики.
Космические исследования позволили получить крупномасштабные изображения и выполнить картирование поверхностей Луны, планет земной группы, спутников планет, ряда астероидов и ядер нескольких комет. Прояснилась относительная роль эндогенных (вулканизм, тектонические перемещения) и экзогенных факторов (метеоритная бомбардировка) и процессов эрозии в формировании рельефа поверхностей планет. Открыт активный вулканизм на спутнике Юпитера Ио и выяснен его механизм (диссипация энергии приливных деформаций). Для Луны, Марса и астероида Эрос прямыми измерениями найден химический и даже минералогический состав их покрова. Измерен возраст доставленных на Землю лунных пород (до 4.5 млрд. лет). Детально определен химический состав, изучено строение, общая циркуляция и динамика атмосфер планет. При этом для Венеры и Юпитера производились прямые измерения в их атмосферах со спускаемых аппаратов, на Марсе измерения неоднократно велись и с его поверхности. Возникло новое научное направление — климатология планет. На Марсе обнаружены большие количества водяного льда и убедительные указания на присутствие на нем в прошлом значительных количеств жидкой воды. Продолжаются поиски признаков наличия (сейчас или в прошлом) простейших форм жизни на Марсе. С космических аппаратов измерены магнитные поля планет и изучена их структура. В ее формировании важнейшую роль играет взаимодействие поля с набегающим потоком плазмы солнечного ветра, что порождает магнитосферы планет. Строение магнитосфер планет с магнитным полем (Меркурий, Земля, планеты-гиганты) оказалось сложным, особенно у Юпитера. У Земли и планет-гигантов открыты радиационные пояса, самые мощные — у Юпитера. Данные о магнитных и гравитационных полях планет, полученные в ходе космических исследований, позволили значительно уточнить представления о внутреннем строении планет. Одной из ключевых проблем физики Солнечной системы остается проблема ее происхождения. Общепринятая точка зрения состоит в том, что планеты сформировались около 5 млрд. лет назад, вскоре после рождения Солнца, из окружавшего его газо-пылевого диска. Подобные диски обнаружены у некоторых звезд. Однако детали процесса формирования Солнечной системы известны плохо.
Начиная с 1995 г. около звезд, подобных Солнцу, открыто (к осени 2004 г.) более 130 газовых планет-гигантов (экзопланеты). Экзопланеты земного типа пока не доступны наблюдениям. Обнаружены звезды с двумя и даже с четырьмя планетами. Найденные около звезд планетные системы значительно отличаются от Солнечной. В них планеты типа Юпитера часто имеют орбиты меньших размеров, чем у Меркурия — самой близкой к Солнцу планеты. Излучение звезды сильно (до ~1000 К) нагревает атмосферы таких планет («горячие Юпитеры»). В ряде случаев движение происходит по сильно вытянутым орбитам. Накопление данных о внесолнечных планетных системах и их систематизация должны будут составить основу для построения последовательной теории происхождения планетных систем. Другая важнейшая перспективная задача исследований экзопланет — попытка обнаружения планет земного типа (не газовых) с атмосферами, содержащими озон и водяной пар. Последнее можно будет рассматривать как указание на наличие жизни на планете. Разрабатывается крупный международный проект «Дарвин», имеющий целью решение этой задачи (ориентировочный срок — 2015 г.).