利用理論物理方法研究天體的物理性質和過程的一門學科。1859年，基爾霍夫根據熱力學規律解釋太陽光譜的夫瑯和費線，斷言在太陽上存在著某些和地球上一樣的化學元素，這表明，可以利用理論物理的普遍規律從天文實測結果中分析出天體的內在性質，是為理論天體物理學的開端。理論天體物理學的發展緊密地依賴於理論物理學的進步，幾乎理論物理學每一項重要突破，都會大大推動理論天體物理學的前進。二十世紀二十年代初量子理論的建立，使深入分析恒星的光譜成為可能，並由此建立瞭恒星大氣的系統統理論。三十年代原子核物理學的發展，使恒星能源的疑問獲得滿意的解決，從而使恒星內部結構理論迅速發展；並且依據赫羅圖的實測結果，確立瞭恒星演化的科學理論。1917年愛因斯坦用廣義相對論分析宇宙的結構，創立瞭相對論宇宙學。1929年哈勃發現瞭河外星系的譜線紅移與距離間的關系，以後人們利用廣義相對論的引力理論來分析有關河外天體的觀測資料，探索大尺度上的物質結構和運動，這就形成瞭現代宇宙學。近二十年來，在理論天體物理這一領域，可以看到理論物理與天體物理更廣泛更深入的結合，其中以相對論天體物理學、等離子體天體物理學、高能天體物理學等幾個方面最為活躍。
從理論物理學的分支與天體物理學問題的聯系，可以看出目前理論天體物理的概貌。
①輻射理論 研究類星體、射電源、星系核等天體的輻射，以及X射線源、γ射線源和星際分子的發射機制。
②原子核理論 研究恒星的結構和演化，元素的起源和核合成（見元素合成理論），以及宇宙線問題。
③引力理論 探討致密星的結構和穩定性，黑洞問題，以及宇宙學的運動學和動力學。
④等離子體理論 分析射電源的結構、超新星遺跡、電離氫區、脈沖星、行星磁層、行星際物質、星際物質和星系際物質等。
⑤基本粒子理論 研究超新星爆發、天體中的中微子過程（見中微子天文學）、超密態物質的成分和物態等。
⑥固態（或凝聚態）理論 研究星際塵埃、致密星中的相變及其他固態過程。
理論天體物理的基本方法是把地球上實驗室范圍中發現的規律應用於研究宇宙天體。這種方法不僅對於說明和解釋已知的天體現象是有力的，而且還可以預言某些尚未觀測到的天體現象或天體。例如，在1932年發現中子之後不久，朗道、奧本海默等就根據星體平衡和穩定的理論預言可能存在穩定的致密中子星。盡管這種預言中的天體與當時已知的所有天體差別極大（異乎尋常的高密度等），可是在三十多年後的1967年，發現瞭脈沖星，預言終於被證實。另一方面，許多物理學概念首先是由研究天體現象得到的，後來又是依靠天體現象加以檢驗的。例如，首先是天體物理學傢註意到充滿宇宙間的電離物質具有一系列特性，這對建立等離子體物理學這門學科起瞭極大的推動作用。又如，熱核聚變概念是在研究恒星能源時首次提出的。禁線也是受到天體光譜研究的刺激才得到深入探討的。
由於地面條件的限制，某些物理規律的驗證隻有通過宇宙天體這個實驗室才能進行。有關廣義相對論的一系列關鍵性的觀測檢驗，都是靠研究天體現象來完成的。水星近日點進動問題、光線偏轉以及雷達回波的延遲是幾個早期的例子。1978年，通過對脈沖星雙星PSR1913+16的周期變短的分析，給引力波理論提供瞭第一個檢驗，這是理論物理學與天體現象二者結合的一個新的成功事例。因此，理論天體物理學既是理論物理學用於天體問題的一門“應用”學科，又是用天體現象探索基本物理規律的“基礎”學科。無論從天文學角度來看，或是從物理學角度來看，理論天體物理學都是富有生命力的。
參考書目
溫伯格著，鄒振隆譯：《引力和宇宙論》，科學出版社，北京，1979。(S.Weinberg，Gravitation and Cosmology，John Wiley and Sons，New York，1972.)
Y.B.Zeldovich and I.D.Novikov，Relativistic Astrophysics，Vol.1，Univ.of Chicago Press，Chicago，1971.