20世纪，是天体物理学成为天文学主流的世纪。天文学家们利用无线电波的接收技术，发现了来自遥远星系的微弱信号所带来的无限神秘气息。
20世纪是射电天文学的时代。射电天文打破了光学天文的古老观念，使观测进入了全新时代。
无线电取得成功之后，1924年人们利用无线电反射测定电离层的厚度。在这次实验中，人们无意中发现如果星体发射的电波波长小于40米，电波便接收不到了。后来人们知道，电波这时不能被电离层反射，而是穿过大气层，射向遥远的宇宙空间了。
1923年，美国有一位通讯技术人员央斯基，偶然接收到了来自银河系深处的人马星座的电波辐射，他公布了这个发现。
以上两件事当时并没有让人们重视，因为那时的仪器灵敏度不高，而且人们对如何排除干扰也不很在行。
射电望远镜的建成使射电天文学真正开始登上天文舞台并成为热门研究。
在20世纪60年代，天文学射电领域有四大发现，为宇宙学和天体研究带来了无限崭新的课题。
第一大发现是类星体。
类星体是一种和恒星类似的物体。被认为是由向一颗巨大并且旋转的黑洞落上去以及正在落上去的那些物质组成。在物质落到黑洞里面之前，会变成非常热并且发射出大量能量的物质。类星体非常遥远，但是由于它们的功率十分强大，所以可以被观测到。
1963年，正在美国的荷兰天文学家首先发现了一种光源，这种光源在几十亿光年处，发射出极强的紫外线与红外线。这种星体和星系是同一层次上的，但它不是恒星，体积非常小，但辐射量却极大。而且，它们的红移量十分巨大。
这种新天体的发现为天文学带来一个至今尚在讨论的问题：如此远的天体辐射巨大的能量，是我们已知的任何物理学定律都不能解释的。要是按照多普勒效应解释，类星体离我们可以达到200亿光年之远，然而运行速度却是每秒近30亿千米，比光速惊人的快！
类星体发现越来越多，红移量都十分巨大。1963年那位荷兰天文学家施密特发现的类星体命名为“射电源3C273”，是第一个被发现的类星体。最远的类星体是我们所测试到的宇宙边界，达200亿光年，最近的离我们也有8亿光年，它们的体积不过是普遍恒星的十万分之一或百万分之一，然而却可以具备恒星20亿倍的能量，这用地球上的物理学E=mc2是解释不了的。
第二大发现是宇宙微波背景辐射。
1965年，美国新泽西州的克劳福德山上架设了天线，这是一个极其灵敏的微波探测器。微波的频率只有每秒100亿次振动的数量级，所以微波探测精度之高可想而知。
射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊调试天线，检测仪器，想测定银河系平面以外区域的射电波强度。然而当他们一步一步排除噪声之后，包括地面上的以及各种已知情况后，却始终有一个噪声消除不掉。
他们检查探测器上的额外干扰，还清除了天线上的鸟粪等杂物，但是噪声依然存在。他们把天线的方向改变，以检测噪声干扰的位置。比如，把探测器倾斜，如果是大气层里来的噪声则应该更强。但是不管探测器的方向怎样改变，这个噪声仍然十分恒定，相当于3.5K的射电辐射温度。
1929年哈勃的结果证明了宇宙的膨胀。宇宙从一点大爆炸中产生，直到现在还在膨胀。我们的星体都像附着在一只气球上，气球在膨胀，离我们越远的星系以越快的速度远离我们。
俄国物理学家和数学家亚历山大·弗利德曼用广义相对论原理提出了大爆炸说，并且预言：我们不论往哪个方向看，也不论在哪个地方看，宇宙看起来都是一样的。按照大爆炸理论，宇宙爆炸之初应该有遗留的黑体辐射，温度约为3K。
而彭齐亚斯和威尔逊的发现，不管什么方向，噪声均一样，所以它必须是来自大气层以外的，不论时间，也不受太阳系影响，这表明不仅仅是大气层以外，甚至应该是星系以外。现在我们知道，这种辐射引起的噪声变化在各个方向上相差不到万分之一。
一开始，彭齐亚斯和威尔逊不明白这是怎么回事，所以没有以论文形式加以总结。但是消息传到了普林斯顿，那里的罗伯特·狄克和盾姆士·皮帕尔斯正在研究微波，他们知道伽莫夫的宇宙大爆炸理论，认为这个理论认为早期宇宙的白热到现在应该能看到，光作为微波辐射应该能被检测到。听到贝尔实验室的工作，他们致力研究，找到了微波辐射。而此时彭齐亚斯和威尔逊从狄克和皮帕尔斯的研究中也清醒过来，从而意识到自己获得了重大的发现。就这样，他们获得了1978年诺贝尔奖。
微波背景的辐射有力地支持了大爆炸理论。
第三大发现是脉冲星。
脉冲星是旋转的中子星。当它的磁场和围绕的磁场之间发生相互作用时就发射出射电波的脉冲。
脉冲星的发现是乔丝琳·贝尔小姐。脉冲以极其精确的间隔发射信号被接收到，人们认为只能是人工才有可能，因此人们幻想是科幻中的“小绿人”所为，是来自天外的讯号，由智慧生命所发的。乔丝琳·贝尔说：“我在这儿搞一项新技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯。”
1967年，乔丝琳·贝尔接受了导师安抚尼·休伊斯交给的任务，检查并改进一种射电望远镜，用来测量遥远的射电电源，那时她是剑桥大学的研究生。在分析记录器打出来的几百米长的图纸时，她发现了一个周期信号，这个信号每隔1.33730133秒就出现一次。这正是一颗发射电脉冲的星：脉冲星。
天文学家们当然知道这里面的详情，幽默地管这些星叫“小绿人”，结果让人们激动不已，纷纷传扬。
天体物理学家进行了研究。1968年，弗兰科·帕齐尼和托马斯·歌尔德提出，脉冲星是快速旋转的中子星。中子星是超高温、超高压、超高密、超强磁场、超强辐射的，完全由中子组成。
中子星又是理论预言了观测的美好例证之一。朗道以及美国的蒋维持和巴德都作过预言，而奥本海默和沃尔科夫提出了严格系统的中子星。
由于中子星的发现，乔丝琳·贝尔的老师安抚尼·休伊斯获得了诺贝尔奖，因为他设计了新的射电望远镜。中子星之密度可达每立方厘米10亿吨物质，其表面有1万亿度高斯的磁场。中子星的力强到使原子中的大部分电质和质子结合而形成中子。
第四大发现是星际分子。
这是生命科学的重大发现，1963年，射电天文学家在仙后座发现羟基分子的光谱，这是被发现的第一个星际分子。1968年，美国科学家在人马座方向发现了氨和水分子谱线。1969年又发现了多原有机分子：甲醛分子。
甲醛分子在条件适宜的情况下可以转化为氨基酸——生命物质的基本组织形式。这个重大发现为地外生命的探寻提供了宝贵资料，这说明，宇宙空间起码存在着与我们生命起源相关联的重要物质，星际分子天文学从研究生命在宇宙中的存现及演化为其任务之一，随此而诞生。
射电天文学是在二战后蓬勃发展起来的，人们不断利用光学望远镜和射电望远镜观测遥远星空。随着空间时代到来，天文学家冲破了大气，将探测器送入太空，探索了更多的奇异景色，随即创建了X射线天文、Y射线天文、红外天文、紫外天文学科，踏入了全波段探索宇宙的旅程。