Современные обсерватории используют крупные оптические телескопы, которые позволяют наблюдать детали небесных тел, недоступные для невооруженного глаза, и выделять слабые звезды благодаря увеличению угла зрения и сбору света. Угловое расстояние между объектами измеряется в градусах, и с помощью мощных телескопов можно различать звезды на расстоянии тысячных долей секунд.
Существует несколько типов оптических телескопов: рефракторы, использующие линзы, рефлекторы с вогнутыми зеркалами, а также комбинации этих двух типов. В 2024 году на горе Серро Армазонес в Чили планируется установить телескоп с диаметром зеркала 39,3 метра, который соберет в 15 раз больше света, чем существующие телескопы.
Телескопы также позволяют проводить фотометрические и спектральные наблюдения. Астрографы фиксируют небесные явления, сохраняя информацию, и обеспечивают панорамные и детализированные снимки. Спектральные наблюдения помогают изучать температуру, химический состав и магнитные поля объектов.
Кроме света, небесные тела излучают и другие электромагнитные волны, что рассматривается радиотелескопами, такими как «РАТАН-600» в России и самый большой радиотелескоп в Китае с диаметром 500 метров, который поможет наблюдать черные дыры и изучать эволюцию Вселенной.